Sensorbeschichtungen zur Messung von Umweltgasen und VOCs

Sensoren sind für die Steuerung und den optimalen Betrieb von Prozessen, auch im Kontext von Industrie 4.0 und zunehmender Digitalisierung, unabdingbar.

Das Fraunhofer IGB funktionalisiert Oberflächen für Gas- und Flüssigsensoren, um Umweltgase (NO_x, SO₂), flüchtige organische Verbindungen (VOCs) oder weitere schwer zu messende Moleküle nachzuweisen, die in Produktions- oder Verbrennungsprozessen entstehen. Dazu werden Polymere, ionische Flüssigkeiten oder metallorganische Gerüststrukturen mit spezifischen Funktionen für die Bindung der gefragten Moleküle ausgestattet, in bestehende Sensorplattformen integriert und in Gasmessständen unter kontrollierbaren Bedingungen überprüft.

Herausforderung: Begrenzte Selektivität

Kommerziell erhältliche Gassensoren werden in der Regel zur Überwachung der Luftgüte und die Steuerung von Klimaanlagen bzw. für Abgasmessungen in der Automobil-, Medizin- oder Umwelttechnik eingesetzt. Sie können einzelne gasförmige Substanzen wie CH₄, CO, NO₂ oder eine große Bandbreite von flüchtigen organischen Verbindungsklassen wie Alkohole, Aldehyde, Ketone etc. detektieren.

Ein Nachteil ist, dass sie eine mehr oder weniger große Querempfindlichkeit für andere Verbindungen besitzen, die eine verlässliche Identifizierung der Zielsubstanz verhindert. Die meisten Sensoren weisen nur eine begrenzte Selektivität für bestimmte Substanzen auf. Die menschliche Nase besitzt um die 350 Duftrezeptoren, die mit Gassensoren verglichen werden können. Der Unterschied ist jedoch, dass die Duftrezeptoren der Nase sehr spezifisch auf wenige Gase reagieren, während Gassensoren auf viele Gase ansprechen.

Lösung: Selektive Sensorschichten

Das Fraunhofer IGB entwickelt Sensorschichten, die sensitiv und selektiv für spezifische Verbindungen sind, und integriert diese in das kundenspezifische Sensorkonzept. Dafür verwenden wir etablierte Sensoren, an deren sensoraktiver Schicht wir die Oberfläche so verändern, dass die Detektion durch Bindung des Zielmoleküls spezifischer und selektiver möglich wird. Wir verwenden dazu beispielsweise spezifische Polymere, metallorganische Gerüstverbindungen, Oberflächenvergrößerungen durch Niederdruckplasmaverfahren, die Integration von oxydischen Nanopartikeln oder ionische Flüssigkeiten und passen diese den gewählten Messbedingungen an.

Vorteile

Durch die Modifizierung der sensoraktiven Schicht ist der Nachweis von Gasen sehr viel spezifischer und selektiver als bisher. Indem mehrere Sensoren gemeinsam ausgewertet werden können, bei der ein bestimmter Analyt am sensitivsten erkannt wird, können sensitivere Sensor-Arrays für bestimmte Analyten entwickelt werden. Dies kann in unserem Gasmesstand erfolgen.

Gasmessstand

Erprobung und Optimierung von Sensoren in Gasmischanlage

Wir erproben und optimieren die neuen Sensoren in unserer Gasmischanlage hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit zur Messung von Gasen in einem weiten Feld. Mit der Gasmischanlage ist es möglich, in einem geschlossenen System eine definierte Prüfatmosphäre zu schaffen. Dazu können einzelne Gase in bestimmten Flussmengen eingeleitet, die Luftfeuchtigkeit geregelt und die Temperatur in den Leitungen eingestellt werden.

Messung von

MOX
- Schwefelverbindungen
- NO_x
CMUT
- Ozon
- NO₂
- SO₂

Leistungsangebot

Entwicklung von selektiven Beschichtungen für Sensoren
Charakterisierung von Sensoren am Gasmessstand
Machbarkeitsstudien und kundenspezifische konzeptionelle Entwicklung
Evaluation neuer Prozesse
Oberflächenanalytik und-charakterisierung
Labortests, Benchmarking und Validierung

Anwendungen

Bei der Überwachung von Herstellungsprozessen können selektive und sensitive Sensoren durch Reduktion von schadhaften Produkten und Fehlchargen Kosten senken.

Zudem können eine Datenauswertung der aufgenommenen Messdaten in Echtzeit angeschlossen und dann die richtigen Maßnahmen ergriffen werden.

Spezifische Sensoroberflächen für Umweltgase und flüchtige chemische Verbindungen
Online-Monitoring industrieller Prozesse zur Qualitätssicherung
Optimierbare Prozesssteuerung
Regelbare Inline- und Online-Analytik