Gassensoren

Mit dielektrischer Anregung

Mit dielektrischer Anregung

Gassensoren, die auf halbleitenden Metalloxid-Materialien (SMOX) basieren, gehören zu den beliebtesten Arten von Gassensoren: Sie sprechen auf verschiedene Arten von reduzierenden und oxidierenden Gasen stark an und basieren auf einfach zu messenden Änderungen des elektrischen Widerstands. SMOX-Chemiresistoren werden mit modernen MEMS-Fertigungsverfahren hergestellt, die auf mehr als 50 Jahren SMOX-Chemiresistor-Entwicklung beruhen, und haben wichtige Märkte für Luftqualitätsalarme für Wohn-, Industrie- und Automobilanwendungen erobert. Bei solchen Anwendungen sind die Einschränkungen der SMOX-Sensoren, die Nichtlinearität, schlechte Stabilität und Gas-Kreuzsensitivität beinhalten, nicht kritisch.  

Diese Einschränkungen machen SMOX-Chemiewiderstände jedoch problematisch für neu entstehende Überwachungsbedürfnisse, bei denen Genauigkeit und Zuverlässigkeit die obersten Prioritäten sind. Zu diesen neuen Anforderungen gehören die Überwachung spezifischer Umweltschadstoffe und spezifischer Gerüche, die Erkennung toxischer Emissionen in der Innenraumluft, die verteilte, großflächige Überwachung von Industriestandorten, die Erkennung von Spuren nicht-reaktiver organischer Dämpfe als spezifische Biomarker in der ausgeatmeten Luft und viele andere.  

GE Research entdeckte, dass SMOX-Gassensoren mehrere sehr erwünschte, aber bisher unbemerkte Eigenschaften haben, wenn ein SMOX-Material an der Schulter seines dielektrischen Relaxationspeaks mit Wechselstrom (AC) angeregt wird. Man hat 2019 mit einem Partner ein Produkt zur Gassensorik auf den Markt gebracht, hat mehrere erteilte Patente im Zeitraum 2016 bis 2020, hat seine experimentellen und theoretischen Erkenntnisse 2020 als Titelgeschichte in der Mai-Ausgabe 2020 von Nature Electronics zusammengefasst und erweitert seine Erkenntnisse in neue Anwendungsbereiche, wie z.B. in einem kürzlich erschienenen Artikel des National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) hervorgehoben.

Das Entwicklerteam hat zunächst experimentell herausgefunden und dann theoretisch validiert, dass Änderungen im Imaginärteil der Impedanz eine lineare Sensorantwort über einen großen Bereich von Gaskonzentrationen liefern. Im Vergleich zu Chemiresistoren erweiterte dieser Ansatz den dynamischen Bereich der Gasdetektion, verbesserte die Grundlinienstabilität des Sensors, reduzierte Feuchtigkeitseffekte und eliminierte sogar Effekte der Umgebungstemperatur. Im Gegensatz zur Breitband-Impedanzspektroskopie nutzt die dielektrische Anregung spezifische Frequenzbereiche für n- und p-Typ SMOX-Materialien, um diese neuen Leistungsmerkmale für die Gassensorik zu erreichen.  

Die neuen Fähigkeiten der klassischen SMOX-Materialien, die man mit dem dielektrischen Anregungsschema enthüllt hat, inspirieren eine Vielzahl neuer Anwendungen. Das GE-Entwicklerteam priorisiert diese Anwendungen auf der Grundlage der gesellschaftlichen und marktwirtschaftlichen Werte.  

Die neue Technologie wurde für den AMA Innovationspreis 2021 nominiert.

 

Bild: Photo by R. A. Potyrailo (GE Research) - Gezeigt werden zwei Ausführungsformen von Gassensorsystemen mit bisher nicht verfügbaren Leistungsmerkmalen, die durch die dielektrische Anregung von halbleitenden Metalloxidmaterialien an der Schulter ihres dielektrischen Relaxationspeaks erreicht werden.

 

 

SENSOR+TEST 2021 Special