Unser Know-how

Herzstück von ARTINOS^® ist ein Gassensorchip mit einem Array (Reihe) graduell unterschiedlicher Gassensoren, deren Signale ein charakteristisches Muster bilden, abhängig von der Zusammensetzung des Umgebungsgases. Der Sensorchip trägt einen einzigen Metalloxidfilm aus Zinndioxid, dessen elektrische Leitfähigkeit bei erhöhter Temperatur (etwa 300°C) sehr empfindlich, schnell und zugleich reversibel auf nahezu alle Gase reagiert - nur chemisch inerte, wie Edelgase oder Stickstoff, ausgenommen. Bild 1 zeigt schematisch Aufbau und Funktionsweise des Sensorchips. Durch einfache Unterteilung des Metalloxidfilms mit parallelen Elektroden werden Gassensor-Segmente gebildet, die durch Gradiententechnik in ihrem Empfindlichkeitsspektrum differenziert werden.

Einerseits wird mit den vier Heizelementen des Chips ein Temperaturunterschied von etwa 50 K über dem Metalloxidfeld aufrechterhalten und andererseits ist der Metalloxidfilm mit einer nur wenige Nanometer starken gaspermeablen Membran beschichtet, deren Dicke über dem Mikroarray variiert. So befindet sich jedes Sensorsegment auf einer etwas anderen Temperatur und weist eine graduell andere Membrandicke als die Nachbarsegmente auf. Infolgedessen unterscheiden sich die Sensorsegmente vor allem in ihrem Empfindlichkeitsspektrum: obwohl die Segmente auf nahezu alle Gase ansprechen, erfolgt dies mit graduell unterschiedlicher Empfindlichkeit abhängig von der Gasart. Dieses einzigartige Gradienten-Mikroarray ermöglicht ein wirksames Gasunterscheidungsvermögen für produkt- oder prozesscharakteristische Gasgemische.

Durch die Verschiedenheit der Segmente des Mikroarrays können gas-charakteristische Leitfähigkeitsmuster gemessen werden, die Art und Menge der Komponenten im Umgebungsgas des Mikroarrays widerspiegeln. Dabei kann die Gesamtheit einer Gasmischung als Einheit behandelt werden, wie ein Geruch häufig eine komplexe Vielzahl von Komponenten aufweist und dennoch als ein charakteristisches Ensemble mit einer Konzentration behandelt wird. Das Leitfähigkeitsmuster gibt dann unmittelbar die Eigenart und die Quantität des Ensembles wieder. Wenn Komponenten der Mischung gefragt sind, kann das Leitfähigkeitsmuster in Anteile zerlegt werden, die der Konzentration der Komponenten im Gasensemble entsprechen. Die Güte der Zerlegung und die Zahl der separat erfassbaren Komponenten hängt von der chemischen Unterschiedlichkeit der Komponenten und ihren Konzentrationen ab. Beide Verfahrensweisen können online, also im kontinuierlichen Betrieb, zur Charakterisierung eines Gasensembles eingesetzt werden.

Leitfähigkeitsmessungen an den Segmenten können im Sekundentakt erfolgen, mit denen empfindlich und kontinuierlich Einzelgase oder Gasensembles charakterisiert werden können. Bild 2 zeigt den Mini-Sensorchip mit 16 Sensorsegmenten in einer Keramikträgerkarte der standardmäßig in den ARTINOS-Geräten zum Einsatz kommt.