Photoakustische Gassensoren

Wir entwickeln miniaturisierte PAS-Gassensoren – zum Beispiel für die Raumluftüberwachung.

Photoakustische Spektroskopie

Gase lassen sich mithilfe photoakustischer Spektroskopie (PAS) sehr genau und selektiv nachweisen. Das grundsätzliche Messprinzip wurde bereits 1880 von Alexander Graham Bell beschrieben: Bestrahlt man eine zu untersuchende Gasprobe in einer Messzelle mit einer gepulsten Lichtquelle, so absorbieren die Gasmoleküle das Licht und die Gasprobe erwärmt sich. Bei konstanter Volumengröße der Messzelle entstehen dadurch akustische Wellen, deren Frequenz mit der Modulationsfrequenz der Lichtquelle übereinstimmt. Diese akustischen Wellen, also das photoakustische Signal, können mit Schallwandlern (z. B. kommerziellen MEMS-Mikrofonen) detektiert werden. Die Signalamplitude korreliert mit der Stärke der Absorption und gibt somit Aufschluss über die Gaskonzentration in der Messzelle.

Resonante und nicht-resonante Messzellen

Die Geometrie der Messzelle spielt eine essenzielle Rolle für die Empfindlichkeit des photoakustischen Detektors. Der Detektor kann entweder resonant oder nicht-resonant betrieben werden. Beim resonanten Betrieb stimmt die Modulationsfrequenz der Lichtquelle mit der akustischen Resonanzfrequenz überein. Dadurch wird das detektierte Signal verstärkt.

Beim nicht-resonanten Betrieb eines photoakustischen Detektors liegt die Modulationsfrequenz der Lichtquelle (typischerweise ein breitbandiger IR-Strahler) weit unterhalb der akustischen Resonanzfrequenz der Messzelle – die entstandenen akustischen Wellen werden also nicht weiter verstärkt.

LED, Laser oder IR-Strahler als Lichtquelle

© Fraunhofer IPM
Resonante photoakustische Messzelle mit einer LED als Lichtquelle
© Fraunhofer IPM
Resonante photoakustische Messzelle mit einem Laser als Lichtquelle

Je nach Zielgas und Anwendung werden neben unterschiedlichen Messzellen-Geometrien die Lichtquellen ausgewählt. Beides bestimmt im Wesentlichen den Preis und die Baugröße des Gasmesssystems. Kostengünstige Messsysteme, die z. B. LEDs als Lichtquelle verwenden, können die Zielgaskonzentrationen sehr empfindlich (1 ppm-Bereich) bestimmen. Werden Laser als Lichtquelle verwendet, erreicht die Empfindlichkeit der Messsysteme Werte im niedrigen ppb-Bereich.

Zwei Beispiele: Für ein kompaktes SO2-Messsystem, das zur Emissionsmessung im Abgaswäscher auf Schiffen verwendet wird, setzt Fraunhofer IPM auf eine resonante Messzelle mit einer UV-LED als Lichtquelle. So wird die hohe geforderte Auflösung von 1 ppm im Messbereich bis 50 ppm SO2 erreicht. Bei einem miniaturisierten photoakustischen CO2-Sensor für die Detektion der Raumluftqualität wurde eine nicht-resonante Messzelle mit einem breitbandigen IR-Strahler und einem MEMS-Mikrofon kombiniert. Dies ermöglicht einen besonders kleinen Sensor mit einer in diesem Fall ausreichenden Sensitivität von 50 ppm im Messbereich bis 5000 ppm CO2.

Anwendungen »Photoakustische Spektroskopie«

 

Bundesministerium für Bildung und Forschung

Projekt »Contect-R«

 

Gassensor-basiertes Analysesystem zur Bestimmung des Reinheitsgrades von Kältemitteln

 

Europäische Union

Projekt »RedFinch«

 

Mid-Infrared Fully Integrated Chemical Sensors

 

Europäische Union

Projekt »E-MASUM«

 

Saubere Schiffsdiesel durch Schwefeldioxid-Nachweis