Minaturisierter CO_2 Gassensor auf Basis der Photoakustischen Spektroskopie

摘要

Im Zuge der fortschreitenden Energieoptimierung von Automobilen ist insbesondere das HVAC-System (Heating, Ventilation, Air Conditioning) in den Fokus der Entwicklung geruckt, auch im Hinblick auf elektrisch betriebene Fahrzeuge. Dabei steht in Aussicht, dass in kunftigen Systemen aufgrund eines hohen Energieeinsparpotentials Kohlenstoffdioxid (CO_2) in Form des Kuhlmittels R744 verwendet wird. Im Falle eines Verkehrsunfalls oder einer technischen Fehlfunktion, kann das CO_2 aus dem HVAC-System entweichen und eine Gefahr fur die Passagiere darstellen. Abgesehen davon kann sich auch eine, durch die Atmung der Insassen erhohte CO_2-Konzentration negativ auf das Urteilsvermogen des Fahrers auswirken. Aus diesen Grunden ist Uberwachung der CO_2-Konzentration in Fahrzeugen auBerst wichtig fur die Sicherheit der Passagiere. Daraus ergibt sich eine deutlich steigende Nachfrage nach zuverlassigen und gunstigen CO_2-Sensoren im Automobilbereich. Diese Arbeit stellt einen neuen CO_2-Sensor vor, der auf dem Prinzip der nicht-resonanten photoakustischen Spektroskopie basiert. Der Sensor kann mit langjahrig erprobten Technologien und Komponenten gefertigt werden, die die Produktion von zuverlassigen, miniaturisierten und kostengunstigen Gassensoren ermoglichen. Das Sensordesign beinhaltet einen mikrostrukturierten, breitbandigen Infrarotemitter und eine miniaturisierte photoakustische Detektorzelle, welche in TO-Metallgehausen (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 Golddrahten gebondet und anschliessend unter CO_2-Atmosphare im Rollnahtverfahren hermetisch dicht eingeschweisst. Beide TO-Komponenten wurden in einem kompakten, zylindrischen Modul mit dem Massen o14.5 mm × 19 mm zusammengefasst und gemeinsam evaluiert. Die elementare Charakterisierung des Sensors hat gezeigt, dass das Konzept der photoakustischen Spektroskopie grosses Potential fur genaue CO_2-Messungen bei gleichzeitig relativ geringer mechanischer Sensorkomplexitat bietet. Das Detektionslimit (LoD) der bewerteten Sensoren liegt, abhangig von der Absorptionsstrecke der Sensoren zwischen LoD = 48ppm fur l = 15mm bzw. LoD = 91ppm fur l = 5mm. Eine Untersuchung auf mogliche Signaldrifts ergab wahrend eines viermonatigen Langzeittests keine nennenswerten Anderungen der Sensorsensitivitat.