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

© Fraunhofer IPM
Prinzipbild einer resonanten photoakustischen Messzelle
© Fraunhofer IPM
Prinzipbild einer nicht-resonanten photoakustischen Messzelle

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

Programm Fraunhofer vs. Corona

Projekt »MINSK«

Miniaturisierter, transkutaner Photoakustik-Gassensor

 

Bundesministerium für Bildung und Forschung

Projekt »PaSiC«

 

Silicium-Keramik-Hybridsubstrat als Integrationsplattform für photoakustische und optische Anwendungen

Publikationen »Photoakustische Spektroskopie«

Jahr
Year
Titel/Autor:in
Title/Author
Publikationstyp
Publication Type
2024 Towards a Miniaturized Photoacoustic Sensor for Transcutaneous CO2 Monitoring
El-Safoury, Mahmoud; Weber, Christian; Yassine, Hassan; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2024 Improving the performance of artificial neural networks trained on synthetic data in gas spectroscopy - a study on two sensing approaches
Goldschmidt, Jens; Moser, Elisabeth; Nitzsche, Leonard; Bierl, Rudolf; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2024 Miniaturisierter CO2-Sensor mit wafer-gebondetem photoakustischen MEMS-Detektor
Gassner, Simon
Dissertation
Doctoral Thesis
2024 Miniaturized two-chamber photoacoustic CO2 sensor with a wafer-bonded MEMS (micro-electro-mechanical systems) detector
Gaßner, Simon; Essing, Simon; Tumpold, David; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2024 Detection of SO2F2 Using a Photoacoustic Two-Chamber Approach
Yassine, Hassan; Weber, Christian; Eberhardt, Andre; El-Safoury, Mahmoud; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2024 Photoakustische Detektion von BTEX-Komponenten im UV-Bereich
Hamburger, Miguel; Herbst, Johannes; Strahl, Thomas; Brunner, Raimund; Weber, Christian; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen; Kondziella, Ralph
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2023 Resonant photoacoustic cells for laser-based methane detection
Schmitt, Katrin; Sendelbach, Mara; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen; Strahl, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2023 Evaluation of Photoacoustic Detectors for Methyl Bromide Sensing
Yassine, Hassan; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2023 Photoacoustic methane detection inside a MEMS microphone
Strahl, Thomas; Steinebrunner, Jonas; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2023 How to Turn a MEMS Microphone Into a Photoacoustic Sensor: An Experimental Study
Strahl, Thomas; Steinebrunner, Jonas; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2023 Novel approach for efficient resonance tracking in photoacoustic gas sensor systems based on a light-induced wall signal
Weber, Christian; Kapp, Johannes; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2023 Miniaturized SMD-Reflow-Capable Photoacoustic CO2-Sensor Using a Dual-Chamber Approach
Gaßner, Simon; Essing, Simon; Tumpold, David; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2023 Towards a Miniaturized Photoacoustic Detector for the Infrared Spectroscopic Analysis of SO2F2 and Refrigerants
Yassine, Hassan; Weber, Christian; Brugger, Nicolas; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Verfahren und Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines Zielgases im Blut eines Lebewesens
Schmitt, Katrin; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen; Yassine, Hassan
Patent
2022 Gasmesszelle für einen photoakustischen Sensor und Verfahren zum Erfassen einer Eigenschaft eines Probengases
Weber, Christian; Kapp, Johannes; Schmitt, Katrin; Strahl, Thomas; Sendelbach, Mara
Patent
2022 Fluidmesszelle für einen photoakustischen Sensor
Weber, Christian; Kapp, Johannes; Schmitt, Katrin
Patent
2022 LED-basierter, miniaturisierter photoakustischer CO2-Sensor zur Umgebungsluftüberwachung
Weber, Christian; Yassine, Hassan; Eberhardt, Andre; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2022 Anodically Bonded Photoacoustic Transducer: An Approach towards Wafer-Level Optical Gas Sensors
Gassner, Simon; Schaller, Rainer; Eberl, Matthias; Koblinski, Carsten von; Essing, Simon; Ghaderi, Mohammadamir; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Miniaturisierter transkutaner Sensor für die Überwachung der CO2-Blutgaswerte
El-Safoury, Mahmoud; Weber, Christian; Yassine, Hassan; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2022 Resonante photoakustische Zellen zum laserbasierten Methannachweis
Schmitt, Katrin; Sendelbach, Mara; Strahl, Thomas; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2021 Comparison of laser-based photoacoustic and optical detection of methane
Strahl, Thomas; Herbst, Johannes; Maier, Eric; Rademacher, Sven; Weber, Christian; Pernau, Hans-Fridtjof; Lambrecht, Armin; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 On-Board Monitoring of SO2 Ship Emissions Using Resonant Photoacoustic Gas Detection in the UV Range
El-Safoury, Mahmoud; Dufner, Miguel; Weber, Christian; Schmitt, Katrin; Pernau, Hans-Fridtjof; Willing, Bert; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Smart Technologies for Indoor Environmental Quality Control
Ortiz Pérez, Alvaro
Dissertation
Doctoral Thesis
2020 Gassensor-basiertes Analysesystem zur Bestimmung des Reinheitsgrades von Kältemitteln (CONTECT-R). Schlussbericht
El-Safoury, Mahmoud; Weber, Christian
Bericht
Report
2020 Miniaturized photoacoustic detection of organofluorine-based refrigerants
El-Safoury, Mahmoud; Weber, Christian; Kiesewetter, Olaf; Hespos, Yvonne; Eberhardt, André; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Micro PA detector: Pushing the limits of mid IR photoacoustic spectroscopy integrated on silicon
Coutard, Jean-Guillaume; Berthelot, Audrey; Glière, Alain; Lhermet, Hélène; Scherer, Benjamin; Strahl, Thomas; Teulle, Alexandre; Verdot, Thierry
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2020 The Optimization of a Photoacoustic Refrigerant Sensor System Using a Three-Chamber Concept
El-Safoury, Mahmoud; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen; Kiesewetter, Olaf
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2019 Photoakustisches Gasmesssystem zur Bestimmung des Schwefeldioxidgehaltes in Schiffsabgasen
El-Safoury, Mahmoud; Dufner, Miguel; Weber, Christian; Schmitt, Katrin; Pernau, Hans-Fridtjof; Willing, Bert; Wöllenstein, Jürgen
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2019 Entwicklung und Charakterisierung eines photoakustischen Sensors für SO2. Schlussbericht
Pernau, Hans-Fridtjof; El-Safoury, Mahmoud; Wöllenstein, Jürgen
Bericht
Report
2019 Photoacoustic Detection of CO2
Kühnemann, Frank
Aufsatz in Buch
Book Article
2019 Investigating flexible feeding effects on the biogas quality in full-scale anaerobic digestion by high resolution, photoacoustic-based NDIR sensing
Bierer, Benedikt; Kress, Philipp; Nägele, Hans-Joachim; Lemmer, Andreas; Palzer, Stefan
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2019 Resonant Photoacoustic Spectroscopy of NO2 with a UV-LED Based Sensor
Kapp, Johannes; Weber, Christian; Schmitt, Katrin; Pernau, Hans-Fridtjof; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2019 Novel Concepts for Miniaturized Photoacoustic-based Gas Sensing Devices
Scholz, Louisa
Dissertation
Doctoral Thesis
2019 Miniaturisierte photoakustische Detektoren für den Nachweis fluorhaltiger Kältemittel
Weber, Christian; El-Safoury, Mahmoud; Eberhardt, André; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2019 Photoacoustic cell on silicon for mid-infrared QCL-based spectroscopic analysis
Coutard, Jean-Guillaume; Glière, Alain; Fedeli, Jean-Marc; Lartigue, Oliver; Skubich, Jules; Aoust, Guillaume; Teulle, Alexandre; Strahl, Thomas; Nicoletti, Sergio; Carras, Mathieu; Duraffourg, Laurent
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2018 A wireless gas sensor network to monitor indoor environmental quality in schools
Ortiz Perez, Alvaro; Bierer, Benedikt; Scholz, Louisa; Wöllenstein, Jürgen; Palzer, Stefan
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2018 Entwurf und Aufbau eines robusten Gassensorsystems für Biogasanlagen
Bierer, Benedikt
Dissertation
Doctoral Thesis
2018 Resonant photoacoustic detection of NO2 with an LED based sensor
Weber, Christian; Kapp, Johannes; Schmitt, Katrin; Pernau, Hans-Fridtjof; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2018 Photoacoustic gas detector for the monitoring of sulfur dioxide content in ship emissions
El-Safoury, Mahmoud; Weber, Christian; Schmitt, Katrin; Pernau, Hans-Fridtjof; Willing, Bert; Wöllenstein, Jürgen
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2018 Resonant photoacoustic gas monitoring of combustion emissions
El-Safoury, Mahmoud; Dufner, Miguel; Weber, Christian; Schmitt, Katrin; Pernau, Hans-Fridtjof; Willing, Bert; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2018 Real-time gas quality data for on-demand production of biogas
Bierer, Benedikt; Nägele, Hans-Joachim; Ortiz Perez, Alvaro; Wöllenstein, Jürgen; Kress, Philipp; Lemmer, Andreas; Palzer, Stefan
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2017 Miniature low-cost carbon dioxide sensor for mobile devices
Scholz, Louisa; Ortiz Perez, Alvaro; Bierer, Benedikt; Eaksen, Ponkanok; Wöllenstein, Jürgen; Palzer, Stefan
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2017 Design of a LED-based sensor for monitoring the lower explosion limit of methane
Wittstock, Valentin; Scholz, Louisa; Bierer, Benedikt; Ortiz Perez, Alvaro; Wöllenstein, Jürgen; Palzer, Stefan
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
Diese Liste ist ein Auszug aus der Publikationsplattform Fraunhofer-Publica

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