Minaturisierter CO2 Gassensor auf Basis der Photoakustischen Spektroskopie

Inhalt:
Im Zuge der fortschreitenden Energieoptimierung von Automobilen ist insbesondere das HVAC-System (Heating, Ventilation, Air Conditioning) in den Fokus der Entwicklung gerückt, auch im Hinblick auf elektrisch betriebene Fahrzeuge. Dabei steht in Aussicht, dass in künftigen Systemen aufgrund eines hohen Energieeinsparpotentials Kohlenstoffdioxid (CO2) in Form des Kühlmittels R744 verwendet wird. Im Falle eines Verkehrsunfalls oder einer technischen Fehlfunktion, kann das CO2 aus dem HVAC-System entweichen und eine Gefahr für die Passagiere darstellen. Abgesehen davon kann sich auch eine, durch die Atmung der Insassen erhöhte CO2-Konzentration negativ auf das Urteilsvermögen des Fahrers auswirken. Aus diesen Gründen ist Überwachung der CO2-Konzentration in Fahrzeugen äußerst wichtig für die Sicherheit der Passagiere. Daraus ergibt sich eine deutlich steigende Nachfrage nach zuverlässigen und günstigen CO2-Sensoren im Automobilbereich. Diese Arbeit stellt einen neuen CO2-Sensor vor, der auf dem Prinzip der nicht-resonanten photoakustischen Spektroskopie basiert. Der Sensor kann mit langjährig erprobten Technologien und Komponenten gefertigt werden, die die Produktion von zuverlässigen, miniaturisierten und kostengünstigen Gassensoren ermöglichen. Das Sensordesign beinhaltet einen mikrostrukturierten, breitbandigen Infrarotemitter und eine miniaturisierte photoakustische Detektorzelle, welche in TO-Metallgehäusen (Transistor Outline) mit Saphirfenstern eingekapselt sind. Der Infrarotemitter basiert auf einer Si-Membran mit aufgesputtertem nano-amorphen Kohlenstoff (NAC). Der Detektor besteht aus einem hoch-sensitivem MEMS-Mikrofon (micro-electro-mechanical), einer Photodiode sowie einem Thermistor. Alle Komponenten wurden eingeklebt, mit Golddrähten gebondet und anschließend unter CO2-Atmosphäre im Rollnahtverfahren hermetisch dicht eingeschweißt. Beide TO-Komponenten wurden in einem kompakten, zylindrischen Modul mit dem Maßen Durchmesser 14:5 mm x 19 mm zusammengefasst und gemeinsam evaluiert. Die elementare Charakterisierung des Sensors hat gezeigt, dass das Konzept der photoakustischen Spektroskopie großes Potential für genaue CO2-Messungen bei gleichzeitig relativ geringer mechanischer Sensorkomplexität bietet. Das Detektionslimit (LoD) der bewerteten Sensoren liegt, abhängig von der Absorptionsstrecke der Sensoren zwischen LoD = 48 ppm für l = 15 mm bzw. LoD = 91 ppm für l = 5 mm. Eine Untersuchung auf mögliche Signaldrifts ergab während eines viermonatigen Langzeittests keine nennenswerten Änderungen der Sensorsensitivität.