Teil 2: Sensoren zur Ermittlung der Luftgüte – IAQ-Überwachungssysteme

Die Innenraumluft ist das wichtigste Umweltrisiko für die allgemeine Gesundheit. Gemäß der Weltgesundheitsorganisation leiden weltweit hunderte von Millionen Menschen an die Atmung betreffenden Problemen. 1,6 Millionen Chinesen sterben jährlich an den unmittelbaren Folgen der Luftverschmutzung. Als gefährlichster Schadstoff gilt Feinstaub mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 μm Durchmesser (PM2,5), der tief in die Lunge eindringen und Herzinfarkte, Schlaganfälle, Lungenkrebs, Asthma usw. auslösen kann.

Eine Verbesserung der IAQ würde unser aller Lebensqualität verbessern und den Volkswirtschaften jährlich enorme Kosten ersparen. Eine problemgerechte Sensorik, kluge und lernfähige Diagnostik und nicht zuletzt schadstoffarme Wohnumgebungen mit ausgefeilter Raumluftaustausch- und -reinigungstechnik (die separat im 3. Teil vorgestellt wird) wäre der richtige Weg.

VOC-Sensoren

Die selektive Erfassung einer spezifischen flüchtigen organischen Verbindung ist schwierig. Ideal wäre es zwischen hunderten von VOCs und ihren Konzentrationen unterscheiden zu können, was die gegenwärtig verfügbaren Sensoren aber nicht leisten.

MOS-Sensoren

Aktuell werden überwiegend Sensoren eingesetzt, die auf der Metalloxid-Halbleiter-Technologie (metal oxide semiconductor – MOS) beruhen. Sie sind kompakt, preisgünstig und reaktionsschnell, aber feuchtigkeitsempfindlich, nichtlinear und mit einer Langzeitdrift behaftet. Ein MOS-Sensor gibt ein Summensignal ab, welches alle im Mischgas enthaltenen VOCs widerspiegelt. Aus dem Summensignal wird per Algorithmus ein Luftgütewert in CO2-Äquivalenten ermittelt, d. h. der Luftgütesensor korrelliert die VOC-Werte direkt mit dem (errechneten) CO2. So wird die Bestimmung der Einzelgase und ihrer Konzentration nicht notwendig.

Das Funktionsprinzip eines solchen Sensorchips beruht auf der Änderung des Widerstands eines halbleitenden nanokristallinen Metalloxidfilms (typisch Zinndioxid SnO2) als Sensormaterial bei erhöhten Temperaturen (typischerweise um 200 °C). Folgende Vorgänge laufen in vereinfachter Form ab:

1. In sauberer Luft ohne VOC-Anteile werden die Donatorelektronen im Sensormaterial von Sauerstoffmolekülen, die sich an seiner Oberfläche anlagern, gebunden. Es entsteht eine Verarmungsschicht, die Leitfähigkeit nimmt ab und es fließt wenig oder kein Strom, siehe Bild 8a.

2. In Anwesenheit des zu reduzierenden VOC-Gases nimmt die Oberflächendichte des angelagerten Sauerstoffs ab, da er mit dem reduzierenden Gas reagiert. Die Elektronen werden wieder an das Zinndioxid freigegeben, wodurch sie sich unter dem Einfluss des Feldes zwischen den Sensorelektroden frei bewegen können – ein Strom fließt (siehe Bild 8b). Bild 9 zeigt als Beispiel den Metall-Oxid-Halbleitersensor iAQ-2000 des Herstellers AppliedSensor. In der zylindrischen, an der Oberseite durch einen Filtervlies verschlossenen Kapsel befindet sich ein als MEMS (Micro Electro Mechanical System) ausgeführter 2 x 2 mm großer Chip (Bild 10). Man erkennt die vier Anschlüsse – zwei für die die Kontaktierung der Sensorschicht und zwei für die Versorgung des Heizelements mit Strom.

Weil das zu erhitzende Sensormaterial eine äußerst geringe Masse hat, ist es mit wenigen mW elektrischer Leistung auf die gewünschte Reaktionstemperatur aufzuheizen.

Der Sensor detektiert eine Vielzahl von Substanzen:

• Kohlenstoffmonoxid (CO), Methan (CH4), Propan (LPG: Liquid Petroleum Gas),
• Alkohole,
• Aldehyde,
• aliphatische Kohlenwasserstoffe,
• aromatische Kohlenwasserstoffe,
• Amine,
• Ketone,
• organische Säuren.