Erkennung von flüchtigen organischen Verbindungen mit Hilfe von mikro-nanostrukturierten Sensoren

Abstract:
Immer mehr Gebäude werden abgedichtet, um ihren Energieverbrauch zu reduzieren. Hieraus resultiert eine ansteigende Innenraumluftbelastung, insbesondere durch flüchtige organische Substanzen (VOC). Durch geeignete Sensorsysteme lässt sich die Raumklimatisierung unter Einhaltung der Grenzwerte für die relevanten Substanzen im Hinblick auf einen niedrigen Energieverbrauch optimieren. Eine wesentliche Voraussetzung ist die selektive Messung von VOC, da diese sehr unterschiedliche Toxizität verfügen. Darüber hinaus ist für die Messung einiger toxischer Komponenten, zum Beispiel für Formaldehyd und Benzol, eine sehr hohe Empfindlichkeit der Sensoren Voraussetzung, da bei diesen die Zielgrößen im Bereich von einigen 10 ppb (parts per billion) liegen. Wir untersuchen im Rahmen des ERA-NET Projektes VOC-IDS mikrostrukturierte Sensoren auf Basis von nanostrukturierten Metalloxid-Halbleitern auf ihre Empfindlichkeit bezüglich der wichtigsten toxischen VOC. Die preisgünstigen und mit einer nachgewiesenen Lebensdauer von mehr als zehn Jahren sehr robusten Halbleitersensoren sind auch auf Konzentrationen verschiedener VOC im ppb-Bereich sensitiv. Ein wesentliches Entwicklungsziel für einen möglichen Einsatz ist die Erhöhung der Selektivität sowie eine hohe Langzeitstabilität der Sensoren. Neben der Auswahl der optimalen gassensitiven Schicht (Sensormaterial, Nanostrukturierung, spezifischer Dotierung und Katalysatorzusätze) wird die Sensitivität mittels Nutzung als sog. Virtuelle Multisensoren gesteigert. Dazu betreiben wir den Sensor temperaturzyklisch (Temperaturzyklischer Betrieb - TCO); wodurch zusätzlich die Querempfindlichkeit auf andere Luftbestandteile minimiert wird. Eine vergleichende Messung von 10 bis 100 ppb Benzol mit 30 ppm Kohlenmonoxid mit einem temperaturzyklisch betriebenen Sensor (300 °C - 400 °C, symmetrischer Dreieckszyklus, Zykluslänge 30 s) zeigt, dass sich die beiden Luftkomponenten mit Hilfe der TCO unterscheiden und auch quantifizieren lassen. Somit wurde gezeigt, dass eine Messung toxischer Luftbestandteile mit Hilfe von nano -mikrostrukturierten Sensoren möglich ist und dass die Verfahren zum selektiven Nachweis vielversprechend sind.