Ziel der Entwicklung

Logo: Erster Prototypenaufbau des Ammoniaksensors, bestehend aus Detektoreinheit mit angebrachten Fotodioden und Transimpedanzverstärker, Absorptionsstrecke mit Gasanschlüssen und Einkoppeleinheit - © CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH
Erster Prototypenaufbau des Ammoniaksensors, bestehend aus Detektoreinheit mit angebrachten Fotodioden und Transimpedanzverstärker, Absorptionsstrecke mit Gasanschlüssen und Einkoppeleinheit - © CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH

Bisherige Schwächen optischer Multi-Gas-Sensoren für die Analyse von Abgasen ist die Unfähigkeit, unabhängige Informationen zur Ammoniakkonzentration zu gewinnen. Bei den auf Absorption im infraroten Spektralbereich basierenden Sensoren, überlagern sich die Spektren von Wasser und verschiedener Kohlenwasserstoffe mit denen des Ammoniaks. Im UV-Bereich hingegen lassen sich die Spektralbereiche sauber trennen. In diesem Bereich liefern neu entwickelte UVC-LEDs die passende Strahlung und ermöglichen so kompakte Sensoranordnungen mit sehr kleinen Ansprechzeiten. Ziel des Projektes NH3Sens war die Entwicklung eines Ammoniaksensors auf dem Prinzip der nicht-dispersiven UV-Spektroskopie (NDUV) zur Messung der Ammoniakkonzentration im Abgasstrang eines Dieselmotors. Der Sensor sollte die durch Ammoniak hervorgerufene Absorption von UV-Licht (~220 nm) in einer Gasküvette bestimmen. Die Verwendung eines Referenzkanals ermöglicht die Temperatur- und Helligkeitsüberwachung der Lichtquelle sowie die Bestimmung von Quereinflüssen weiterer Gase in der Absorptionsstrecke.

Vorteile und Lösungen

Ein nicht-dispersiver Ultraviolettsensor (NDUV) besteht einfach gesagt aus drei Teilen: einer Lichtquelle, einem Filter und einem Detektor. Die Anwendung in der hochwertigen Gasanalyse allerdings ist eine Herausforderung. In einem ersten Schritt wurde das Verhalten eines solchen Messsystems mit dem optischen Simulationsprogramm ASAP nachgebildet und für die Ammoniakdetektion optimiert. Die empfindlichen Detektoren für den zu messenden UV-Bereich wurden am CiS Forschungsinstitut entwickelt, gefertigt und getestet. Hier konnten gute spektrale Empfindlichkeiten und Stabilitäten unter UV-Beleuchtung nachgewiesen werden. Zudem wurde eine UVC-stabile Aufbau- und Verbindungstechnik entwickelt, mit welcher die langzeitstabile Montage der Detektoren sowie deren Hausung erreicht werden konnte. Zur Verbesserung der Fotodiodensignale wurden hochstabile Transimpendanzverstärker entworfen, die auf eine Spezialleiterkarte montiert wurden. Weiterhin wurde ein Bandpassfilter mit einem nur zwei nm schmalem Transmissionsbereich genutzt, charakterisiert und für den Anwendungsfall der Ammoniakabsorption validiert. Ein Defizit stellt gegenwärtig noch die fehlende kommerzielle Verfügbarkeit von UVC-LEDs im benötigten Bereich von 220 nm dar. Im Projekt wurden verschiedene UV-LEDs beschafft und charakterisiert. Bezüglich Spektralbereich und optischer Leistung ist jedoch die Performance dieser evaluierten LEDs noch nicht ausreichend. Dennoch konnte mit diesen Komponenten eine UVC-angepasste Aufbau- und Verbindungstechnik entwickelt werden, die eine effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht und zur Stabilisierung der LEDs beiträgt. In einem Demonstratorsystem wurde mangels geeigneter LEDs eine UV Gasentladungslampe mit breitbandigem Spektrum verwendet. Für eine erste Bereinigung des Spektrums (Unterdrückung des langwelligen Spektralbereichs), wurde ein kommerzieller Langpassfilter (in Reflexion) an den Eingang des Spektrometers angebracht. Trotz des nachteiligen breiten und unstetigen Spektrums, konnte das grundlegende Sensorprinzip erfolgreich demonstriert werden. Die Empfindlichkeit und Nachweisgrenzen, die für eine praktische Anwendung im Umfeld von Verbrennungsmotoren notwendig sind, wurden jedoch nicht erreicht.
Vor dem Hintergrund von stetigen Verbesserungen bei der UV-LED-Entwicklung wird in den nächsten zwei bis drei Jahren mit der Verfügbarkeit von geeigneten LED-Lichtquellen gerechnet. Das CiS Forschungsinstitut ist dazu mit verschiedenen deutschen, europäischen und internationalen Forschungseinrichtungen und Herstellern aus dem Bereich der UV-LEDs vernetzt. Auf Grundlage der erzielten Ergebnisse in diesem Projekt werden verfügbare neue LEDs sehr schnell für die Eignung in einem NDUV-Ammoniak-Sensor geprüft werden können und zu verbesserten Demonstratorsystemen führen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Mit dem Projekt wurde eine Beispiellösung für einen optischen Gassensor geschaffen, welcher im tiefen UV-Bereich arbeitet. Auch wenn die konkreten technischen Ziele des Demonstatorsystems für Ammoniak nicht vollständig erreicht werden konnten, sind doch mehrere entscheidende Teilerfolge zu bilanzieren:
- Entwicklung und Erprobung eines UVC-Stabilen Silizium-Detektors
- Entwicklung und Erprobung einer UVC-geeigneten Aufbau und Verbindungstechnik für solche Detektoren sowie UVC-LEDs, insbesondere unter Berücksichtigung von Dosisstabilität und Wärmeabfuhr
- Simulationsmodelle zur rechnergestützten Optimierung von NDUV-Sensoren, welche leicht auf andere Applikationen adaptiert werden können
Die mit dem Projekt adressierte Zielgruppe sind Sensor- und Messgerätehersteller, welche die entwickelten Komponenten, Technologien und das entstandene Knowhow für die Entwicklung eigener Systeme nutzen können. Das CiS Forschungsinstitut bietet diesen Akteuren auf Grundlage der Projektergebnisse neue Dienstleistungen an. Beginnend bei Machbarkeitsanalysen, Prototypentwicklungen bis hin zur Serienfertigung von Sensorkomponenten und -modulen.
Die Applikationen von UVC-basierten Sensoren sind sehr vielseitig. Neben der Überwachung von Gaskonzentrationen in Industrieprozessen und der Umweltsensorik, können diese auch im Umfeld der Lebenswissenschaften, zum Beispiel Fluoreszenzbasierte Analytik, und bei Desinfektionslösungen zum Einsatz kommen.