Farbumschlag-Sensoren

»Low power« Gassensoren

Fraunhofer IPM entwickelt neuartige »low power« Gassensoren, die auf dem Prinzip des Farbumschlags basieren. Ein Farbstoff in Kombination mit einer Matrix reagiert in Kontakt mit dem Zielgas und ändert dabei seine Farbe. Diese Farbänderung korreliert mit der Konzentration des Gases und zeigt keine Wechselwirkung zu anderen Gasen. Bereits wenige Moleküle des gesuchten Gases reichen aus, um eine Farbänderung auszulösen. Die Reaktion verläuft bei Raumtemperatur, sodass keine Heizleistung nötig ist. Der Leistungsverbrauch liegt im Bereich weniger Milliwatt. Je nach Messzyklus kommt das System daher über mehrere Jahre ohne Batteriewechsel aus.

Umsetzung verschiedener Sensorkonzepte

Fraunhofer IPM synthetisiert und modifiziert gasspezifische Farbstoffe im Hinblick auf das spätere Einsatzgebiet. Die Auswertung der Farbänderung kann sowohl über ein einfaches papierbasiertes Gassensorlabel als auch über ein komplexes optisches Messsystem mit eigenständiger Auswertung realisiert werden.

Zur Herstellung eines Gassensorlabels wird das gassensitive Material mit Hilfe eines Druckverfahrens z. B. auf Papier oder Folie aufgebracht. Die Farbänderung aufgrund der Reaktion mit dem Zielgas kann durch einen Farbabgleich mit dem bloßen Auge oder z. B. per Smartphone-App mit automatisiertem Farbabgleich bewertet werden.

Im eigenständigen optischen Messsystem kann die Farbänderung in Transmission oder in Reflexion detektiert werden. Bei transmissionsbasierten Ansätzen wird der Farbstoff in eine transparente polymerbasierte Matrix eingebettet und auf einen optischen Träger (aus Kunststoff oder Glas) abgeschieden. In reflexionsbasierten Messsystemen kommen eingefärbte anorganische Partikel zum Einsatz. Entscheidend ist die Integration einer Lichtquelle (z. B. LED) im Bereich der Wellenlänge der maximalen Farbänderung. Diese kann indirekt über die Abschwächung bzw. den Anstieg des Lichts gemessen werden.

Anwendungsgebiete für farbumschlagsbasierte Gassensoren sind:

• Umweltmonitoring
• Personenschutz
• Arbeitssicherheit
• Brandgasfrüherkennung
• Lebensmittelüberwachung