Sensortechnik - Gassensoren

Sie sind zuverlässig, schnell und klein: Neuartige Gassensoren machen unseren Alltag sicherer, Industrieanlagen effizienter und Autofahrten risikoloser - vom Methansensor für defekte Erdgasleitungen bis zum Alkoholtester im Handy.

Mit Alkohol im Blut soll man nicht ans Steuer, doch Autofahrer sollten sich bei der Überprüfung ihrer Fahrtauglichkeit nicht auf elektronische Promilletestgeräte verlassen: Kein Gerät lieferte beim Hineinpusten den richtigen Promillewert, ergab Anfang 2004 ein Test des deutschen Automobilclubs ADAC.

Auch bei anderen Gasen gibt es bislang kaum eine Möglichkeit, ihre Konzentration schnell und einfach zu messen. "Die Geräte sind entweder teuer und kompliziert zu bedienen, oder wenn sie einfach und billig sind, dann liefern sie keine zuverlässigen Ergebnisse", berichtet der US-Forscher Allan Chen vom Lawrence Berkeley Laboratory. Das soll sich bald ändern, wenn es nach Dr. Maximilian Fleischer von Siemens Corporate Technology (CT) in München geht. In den Labors des Fachzentrums Power and Sensor Systems entsteht eine neue Generation von Gassensoren. Projektleiter Fleischer hat Spürnasen für unterschiedlichste Anwendungen im Repertoire: Miniatur-Sensoren, die sogar in Handys passen, Sensoren, die fast keinen Strom brauchen, sowie leistungsfähige optische Sensoren für den industriellen Einsatz.

Der Bedarf für kleine und billige Gassensoren ist riesig: Methansensoren könnten Alarm schlagen, wenn Erdgas in Haushalten aus defekten Leitungen austritt. Sauerstoff-Messgeräte könnten die Verbrennung in Heizungen, Motoren und Kraftwerken optimieren. In klimatisierten Gebäuden oder Auto-Innenräumen könnten Sensoren für Kohlendioxid (CO₂) auf drohende Übermüdung aufmerksam machen. Jogger könnten sich mit Ozon-Messgeräten darüber informieren, ob sie ihren Waldlauf besser verschieben sollten, und einige Krankheiten lassen sich an Spurengasen in der Atemluft erkennen.

Die unsichtbaren, oft geruchlosen und flüchtigen Gasmoleküle aufzuspüren ist nicht einfach. Aufwändige Analysemethoden wie die Gaschromatographie oder die Massenspektrometrie können zwar selbst komplizierte Moleküle sicher identifizieren. Doch für den schnellen, mobilen Einsatz taugen diese Verfahren kaum. Dafür braucht man kleine elektronische Bauelemente, die bei Anwesenheit eines bestimmten Gases sofort ein Signal abgeben. Alle heute bekannten Sensoren für Gase beruhen auf der Änderung physikalischer Größen, die gemessen werden, wenn die Moleküle eines Gases in der Luft vorhanden sind, sich auf Oberflächen anlagern oder mit anderen Stoffen reagieren (siehe Tabelle). Fleischer und seine Mitarbeiter halten drei Typen von Sensoren für besonders viel versprechend. Diese funktionieren mit Metalloxiden, Feldeffekt-Transistoren oder Lasern.

Heiße Schicht mit Molekülfilter. Die Siemens-Forscher haben den Sensor-Typ verbessert, der in Promilletestern verwendet wird. Kern dieser so genannten Metalloxid-Halbleitersensoren ist ein winziger, auf mehrere hundert Grad Celsius aufgeheizter Chip, der eine dünne Schicht eines Metalloxides enthält. Bei Anwesenheit bestimmter Gase verändert sich die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters. Bislang gab es jedoch zwei Probleme: Zum einen reagieren die Metalloxide auf mehrere Gase. Sensoren für Methan schlagen etwa auch auf Alkohol an. Solche Erdgas-Warnanlagen lösen daher oft Fehlalarm aus, wenn Ethanoldämpfe, etwa aus Putzmitteln, in der Luft sind. Das zweite Problem zeigte sich bei den vom ADAC untersuchten Promilletestern. Sie lieferten erst nach einer Aufwärmphase von über einer Stunde stabile Messergebnisse.

Die Siemens-Forscher haben beide Probleme überwunden: Ihre Spürnasen arbeiten mit anderen Materialien und bei höheren Temperaturen als ältere Modelle – sie sprechen daher wesentlich schneller an. Zudem hat Fleischers Team Filter entwickelt, die störende Gase von der Sensor-Oberfläche fernhalten. So ist ihr Sensor für Wasserstoff mit einer glasartigen Schicht aus Siliziumdioxid versiegelt. Nur die winzigen Wasserstoff-Moleküle können diese Schicht durchdringen. Bei einem Messfühler für Methan überzogen die Forscher die Oberfläche mit einer porösen Schicht, in der sich die störenden Ethanol-Moleküle zersetzen. "Ein besonderer Vorteil der Metalloxid-Sensoren ist, dass sie gut miniaturisierbar sind", berichtet Fleischer. Da die Sensoroberfläche nur etwa so groß wie ein Sandkorn ist, strahlt sie trotz der hohen Betriebstemperatur nicht viel Wärme ab. Metalloxid-Sensoren können daher auch in tragbare Geräte wie Handys eingebaut werden, zur Messung von Alkohol im Atem oder Ozon in der Luft. Bei anderen Anwendungen sind die hohen Temperaturen sogar von Vorteil, etwa bei Abgasmessungen in Heizungen oder Fahrzeugmotoren.

Spannung bei Zimmertemperatur. Besonders stolz ist Maximilian Fleischer auf die zweite Gruppe seiner Sensoren. Im Gegensatz zu den Metalloxid-Halbleitern brauchen diese Schnüffler nicht beheizt zu werden und kommen daher mit geringem Strom aus. Ihr wenig eingängiger Name: Feldeffekttransistor-Gassensoren oder Gas-FET-Sensoren. Ähnlich wie bei den Metalloxiden bestehen sie aus einer kleinen Platte mit chemisch aktiver Schicht, an deren Oberfläche sich Gasmoleküle anlagern. Dabei entsteht eine Spannung, die mit einem elektrischen Bauelement, dem Feldeffekttransistor, gemessen wird. "Das Schöne an diesen Sensoren ist, dass sie bei Zimmertemperatur funktionieren. Da ist die Auswahl an stabilen Materialien größer, und wir haben daher bessere Chancen, für jedes Gas ein geeignetes Material zu finden", erläutert Fleischer. Für die sensitive Schicht verwenden die Forscher Metalle, Salze, Polymere und sogar Farbstoffe. "Diese Sensoren haben eine große Zukunft, die Entwicklung steht allerdings noch am Anfang", sagt Fleischer.

Mit Hilfe dieser Technik haben die Siemens-Forscher den ersten Kohlendioxid-Sensor auf Basis eines Festkörpers entwickelt. "Dafür gibt es viele Anwendungen", erläutert Fleischers Kollegin Dr. Elfriede Simon. Voraussichtlich ab 2012 dürfen in der Europäischen Union Klimaanlagen von Neuwagen nur noch CO₂ als Kältemittel verwenden. Ein Leck im Innenraum wäre gefährlich, da CO₂ Ermüdungserscheinungen hervorruft. Autofahrer könnten ohnmächtig werden, wenn das Gas eine bestimmte Konzentration überschreitet. "Auch in der Gebäudetechnik wären CO₂-Sensoren sehr nützlich, um etwa in Besprechungsräumen die Belüftung zu regulieren", sagt Fleischer. Weitere mögliche Anwendungen für FET-Sensoren sehen Simon und Fleischer in der Medizintechnik. So könnten Asthma-Kranke den Stickoxid-Gehalt ihrer Atemluft kontrollieren, um beginnende Entzündungen des Lungengewebes rechtzeitig zu bemerken. Hintergrund: Einige Tage vor einem Asthmaanfall steigt der Stickoxid-Gehalt der ausgeatmeten Luft ums Drei- bis Fünffache an. Bislang besitzen aber nur Lungenfachkliniken teure und zudem große, stationäre Messgeräte für das Gas. Der Sensor aus dem Siemens-Labor könnte, wenn er technisch ausgereift ist, in eine Handtasche passen.

Messung aus der Ferne. Der dritte Typ der Siemens-Gassensoren arbeitet mit Laserlicht, das berührungslos misst und mit Glasfasern auch an unzugängliche Stellen geleitet werden kann. Diese Fühler eignen sich daher gut für industrielle Umgebungen. Das Funktionsprinzip: Die meisten Gase lassen sichtbares Licht ungehindert durch, absorbieren aber bestimmte Lichtwellenlängen im infraroten Bereich. Mit gängigen Diodenlasern aus der Nachrichtentechnik lassen sich die einzelnen Absorptionslinien abfahren. Ist das gesuchte Gas vorhanden, kommt eine geringere Lichtmenge beim Detektor an – daraus lässt sich die Gaskonzentration berechnen. Da jedes Gas ganz spezifische Absorptionslinien hat, stören andere Gase oder Staubpartikel nicht. Bislang lassen sich so Sauerstoff, Ammoniak, Wasserdampf, CO₂, Methan oder Schwefelwasserstoff messen. Neue Lasertechniken könnten weitere Gase zugänglich machen, die Licht im mittleren Infrarot absorbieren.

Haupteinsatzgebiet für die Laserspektrometrie sind Industrieanlagen. Die schwedische Firma AltOptronic entwickelte die Methode Ende der 80er Jahre für Rauchgas-Entstickungsanlagen. Siemens übernahm die Firma 2001. Mit Siemens Automation and Drives in Karlsruhe überarbeiteten die Schweden ihr Messgerät. Die neue Version – als LDS 6 auf der Hannover-Messe 2004 vorgestellt – ist voll digitalisiert und analysiert schnell und präzise Gaskonzentrationen in Kaminen, Brennräumen und Leitungen – bei bis zu 1500 °C. Das System besteht aus dem eigentlichen Sensor und einem Analysegerät. Beide sind über Glasfaserkabel verbunden und können bis zu 1 km entfernt sein.

LDS 6 kann helfen, die Verbrennung in Kraftwerken oder anderen Anlagen automatisch zu steuern. "Man blickt praktisch direkt in die Brennkammer und erhält die Messergebnisse innerhalb von Sekunden", berichtet Stefan Lundqvist von Siemens Laser Analytics im schwedischen Solna bei Stockholm. Ist der Sauerstoff-Gehalt zu hoch, wird z.B. die Luftzugabe reduziert. "Bei vielen Anlagen wurden die Gase bislang extrahiert und dann analysiert, aber das dauert zu lange, um eine Anlage wirklich effektiv steuern zu können", sagt Lundqvist. Auch in petrochemischen Anlagen wird LDS 6 eingesetzt: zum Explosionsschutz. An Motorprüfständen wird das Spektrometer für die Entwicklung von Abgaskatalysatoren genutzt. Denkbare Anwendungen gibt es zudem in der Medizintechnik oder der Lebensmittelindustrie.

Wichtige Typen von Gassensoren

Die Multi-Spürnase. Die Zukunft, so sieht es Maximilian Fleischer, liegt in der Kombination mehrerer Sensoren zu einer Art elektronischer Nase. "Im Augenblick hat man für jede Anwendung ein eigenes Gerät", sagt der Forscher. "Ziel muss es aber sein, die unterschiedlichen Messprinzipien zusammenzubringen und in einem einzigen Gerät zu integrieren." Für die Vereinigung mehrerer Messfühler auf einem Chip und das Ansteuern und Auswerten der Sensoren sei jedoch noch viel Entwicklungsarbeit nötig. Wenn das aber gelinge, könne das Messsignal direkt auf dem Chip überprüft und von Störsignalen befreit werden. Fleischers Vision: "Sensoren sollten in Zukunft wissen, in was für einem Gerät und in welcher Umgebung sie sich befinden. Sie dürfen nicht einfach nur messen, sondern müssen intelligenter werden."

Ute Kehse