MEMS-BASIERTE KATALYTISCHE UND WÄRMELEITFÄHIGKEITSSENSOREN ZUR DETEKTION ENTZÜNDBARER GASE

Unter Berücksichtigung des Verbrennungsdreiecks werden verschiedene Strategien genutzt, um zu verhindern, dass Geräte und Systeme bei einer Fehlfunktion Feuer fangen.

Eine sehr beliebte und durch die Gesetzgebung geförderte Strategie besteht darin, die Konzentration des entzündbaren Gases zu messen. Für gewöhnlich geschieht dies mittels katalytischer und/oder Wärmeleitfähigkeitssensoren. Diese verbrauchen jedoch meist viel Strom und sind schwierig herzustellen, weshalb sie für bestimmte Massenanwendungen nur begrenzt geeignet sind. In diesem Newsletter stellen wir neue MEMS-basierte katalytische und Wärmeleitfähigkeitssensoren vor, die nicht nur sehr energieeffizient sind, sondern auch in grossen Mengen hergestellt werden können.

Der neue katalytische Gassensor MP-7217 MEMS wurde mit seinem geringen Stromverbrauch für den Einsatz in batteriebetriebenen Geräten entwickelt und für Methan, Propan und Butan bis zur UEG dieser Gase optimiert. Das Gassensorelement besteht aus zwei Chips. Dabei handelt es sich um beheizbare Siliziumchips mit einer aufgebrachten Katalysatorstruktur, wobei einer der Chips als Sensoreinheit dient und der andere als Kompensationseinheit. Durch den Einsatz von MEMS-Technologien werden durchschnittlich nur 120 mW benötigt, um die Mess- und Kompensationsschichten aufzuheizen, was mit keiner anderen katalytischen Sensortechnologie erreicht wird. Das eingehäuste Sensorelement MP-7217 ist sehr klein (Ø 14,4 x 6,7 mm), lässt sich aber alternativ auch in Standardgehäuse für katalytische Perlensensoren (VQ548MP; Ø 20 x 20,9 mm) einsetzen, um vollständige Kompatibilität mit Standardprodukten der Serie VQ548 (katalytische Perlensensoren) zu gewährleisten.

Beim neuen Wärmeleitfähigkeitssensor PTC-01P MEMS handelt es sich um eine MEMS-Sensormatrize aus Silizium in einem TO-Gehäuse. Die MEMS-Sensormatrize besteht aus zwei Dünnfilmwiderständen aus Platin, wobei sich einer davon auf einer in das Silizium eingeätzten dünnen Membran befindet. Als Messprinzip kommt beim Sensor PTC-01P eine Differentialmessung der Wärmeleitfähigkeit relativ zur Luft zum Einsatz. CO2 oder andere Gase, deren Wärmeleitfähigkeit eine ausreichend grosse Differenz zu der von Luft aufweisen, verändern den Messwert des Messwiderstands mehr als den des Referenzwiderstands. Bei Erwärmung der Membran durch einen konstanten Stromfluss korreliert die Temperaturdifferenz zwischen dem Referenz- und dem Messwiderstand mit der Wärmeleitfähigkeit des umliegenden Gases. Der Referenzwiderstand wird auch genutzt, um die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von der absoluten Temperatur zu kompensieren.

Ein Hauptmerkmal des PTC-01P besteht darin, dass der Sensor in einem besonders grossen Temperaturbereich von –40 °C bis +85 °C benutzt werden kann, wohingegen die leistungsstärksten NDIR-Gassensoren nur in einem Bereich von –20 °C bis +65 °C eingesetzt werden können. Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die sehr schnelle Reaktionszeit des Sensors, die nur durch Änderungen des Messwiderstands beschränkt wird. Der PTC-01P weist einen sehr geringen Stromverbrauch (5 mW) auf und ist den meisten NDIR-Gassensoren auch in diesem Bereich überlegen. Die mit dem PTC-01P erreichbare Auflösung ist in starkem Masse von der Konditionierungselektronik und der Möglichkeit abhängig, sehr geringe Unterschiede zwischen dem Referenzwiderstand und dem Messwiderstand zu messen.

Ein weiteres Merkmal, durch das sich dieser membranbasierte MEMS-Gassensor von herkömmlichen katalytischen und Wärmeleitfähigkeitssensoren unterscheidet, ist dessen mittels MEMS-Technologien erreichte hohe Beständigkeit gegenüber Erschütterungen.