Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPMMiniaturisierter photoakustischer Gassensor für die Detektion von Kältemitteln und Kohlendioxid
Photoakustische Gasdetektion – im Prinzip
Das Prinzip der photoakustischen Detektion hat sich in den letzten Jahren dank kostengünstiger und leistungsfähiger LEDs und thermischer IR-Emitter zunehmend durchgesetzt. Photoakustische Sensoren weisen ein geringes Grundrauschen auf, da ein akustisches Signal nur dann entsteht, wenn das Zielgas vorhanden ist. Aktuell überwiegen MEMS-Mikrofon-basierte photoakustische Sensoren, die das akustische Signal in ein elektrisches Signal umwandeln.
Allerdings bringt die Abhängigkeit von Mikrofonherstellern mehrere Nachteile mit sich, die die Entwicklung zuverlässiger, photoakustischer Sensoren für den Massenmarkt behindern. Jedes Unternehmen hat eigene Mikrofon-Designs, was ein einheitliches Platinenlayout erschwert und den Herstellerwechsel kostspielig macht. Außerdem sind globale Lieferketten anfällig für Probleme, und die Qualität der Mikrofone kann stark schwanken. Daher ist eine zuverlässigere Technologie zur Umwandlung akustischer in elektrische Signale erforderlich.
Mikroströmung statt Mikrofon
Im Verbundvorhaben MiniGas entwickelt Fraunhofer IPM zusammen mit industriellen Partnern einen neuartigen Sensor, der das Messprinzip von Strömungs- und Flusssensoren nutzt, um kleine akustische Wellen zu detektieren. Eine MEMS-basierte Platin-Heizstruktur wird auf eine feste Heizleistung geregelt. Entsteht durch den photoakustischen Effekt eine Druckwelle, kühlt die Heizstruktur durch das strömende Medium ab. Die Abkühlung zeigt direkt die Stärke der Schallwelle an. Die Amplitude der Schallwelle ist unmittelbar von der Menge des absorbierten Lichts und damit der Konzentration des Zielgases abhängig.
Die innovative Nutzung des photoakustischen Effekts ermöglicht somit die Entwicklung eines hochempfindlichen miniaturisierten Sensors, der ohne den Einsatz von Mikrofonen auskommt.
Eingesetzt werden soll der Gassensor im Bereich Medizin (Atemgasanalyse), in der Energie- und Umwelttechnik (Überwachung der Raumluftqualität) oder in Fahrzeugen (Detektion von Kältemitteln in Klimaanlagen).