Grössenbarriere in CO₂-Sensorik durchbrochen

Autor: Marco Gysel, Product Manager CO₂ Sensors

Sensirion erweist sich erneut als Vorreiter in Sachen Innovation für Umweltsensorlösungen. Der SCD4x repräsentiert den ersten CO₂- Sensor im Miniaturformat, der durch einen Platzbedarf von nur einem Kubikzentimeter besticht. Diese disruptive Innovation basiert auf dem Prinzip der photoakustischen Sensorik und vereint minimale Grösse mit maximaler Leistung. So eröffnen sich zahlreiche neue Möglichkeiten für die Integration und Anwendung. Aufgrund seines beispiellosen Preis-Leistungs-Verhältnisses ist der SCD4x besonders für Serienanwendungen und kostensensitive Einsatzbereiche geeignet.

Das zunehmende Umweltbewusstsein wirkt sich nicht nur auf die Art und Weise aus, wie Menschen leben, reisen und essen, sondern auch auf die Gestaltung von Gebäuden. Moderne Häuser streben eine sehr hohe Energieeffizienz an, um natürliche Ressourcen, die hauptsächlich zum Heizen verwendet werden, einzusparen. Eine Folge davon ist der Trend zu luftdichten Gebäuden, die im Vergleich zu älteren Gebäuden eine bessere Isolation aufweisen. Luftdichte Gebäude bewirken, dass es weniger Luftaustausch durch Wände, Dächer, Fenster, Risse usw. gibt, was die Luftqualität im Inneren negativ beeinflusst. Eine reduzierte Raumluftqualität wiederum beeinflusst die Produktivität und das Wohlbefinden von Menschen negativ. Dies macht letztendlich ein aktives Belüftungssystem erforderlich, das regelmässig frische Luft für ein gesundes und produktives Raumklima bereitstellt. Da Belüftungssysteme grosse Mengen Energie für die Konditionierung und Bereitstellung von Frischluft benötigt, ist auf eine hohe Energieeffizienz der Anlagen zu achten, was durch Lüftungsstrategien, die den Luftaustausch anhand des aktuellen Bedarfs steuern, ermöglicht wird.
 

Der Mensch ist die Hauptquelle für erhöhte CO₂-Konzentration und andere Kontaminationen in Innenräumen, weshalb der Bedarf an frischer Luft von der Anzahl der in einem Raum anwesenden Personen und deren Aktivitäten (z.B. Kochen, Sport, Erholung) abhängt. Befinden sich Menschen in geschlossenen Gebäuden so wird die CO₂-Konzentration in diesem Raum steigen und die Raumluftqualität sinken, weshalb sich die CO₂-Konzentration als Indikator für Luftqualität und als Regelparameter für Lüftungsanlagen empfiehlt: Basierend auf der Messung der Raumluftqualität kann ein bedarfsgerechter Luftaustausch ermöglicht werden, der einerseits für ein gesundes und behagliches Umfeld sorgt und andererseits eine hohe Energieeffizienz gewährleistet.
 

Sensirion revolutioniert nun den Markt für CO₂-Sensoren mit dem neuen SCD4x Sensor, der auf der einzigartigen PASens® Technologie von Sensirion basiert. Die PASens® Technologie nutzt das photoakustische Messprinzip und bietet eine extreme Miniaturisierung des CO₂-Sensors, ohne die Sensorperformance zu beeinträchtigen. Der Grund hierfür ist, dass die Empfindlichkeit des Sensors, im Gegensatz zum heute üblichen NDIR-Messprinzip, unabhängig von der Größe der optischen Kavität ist. Dies ermöglicht Kunden eine kosteneffiziente, flexible und kompakte Integration und erlaubt den Einsatz von CO₂-Sensorik in Applikationen, in denen bislang kein ausreichender Bauraum vorhanden war. Ausserdem wurde die Anzahl der integrierten elektrischen Komponenten drastisch reduziert, was zu einer äusserst preiseffizienten Kostenstruktur und somit zu deutlich tieferen Preisen führt. Die Miniaturisierung des Sensors und die attraktive Kostenstruktur eröffnen dem SCD4x zahlreiche neue Möglichkeiten zur Integration in neue Produkte und Anwendungen mit hohen Stückzahlen, wie z.B. in kompakten Lüftungsanlagen, Lufttauscher, Sonden für Lüftungskanäle, Luftreiniger, Thermostate, Klimageräte und Luftqualitätsmonitore.
 

Auswirkung von erhöhten CO₂-Konzentrationen in der Raumluft

Kohlendioxid ist eines der zentralen Produkte des menschlichen Stoffwechsels, bei welchem mit der Nahrung aufgenommene Kohlenhydrate, Fette und Eiweisse unter Zufuhr von Sauerstoff unter anderem in CO₂ umgesetzt wird, welches wiederum über die Atmung abgegeben wird. Während sich dies draussen schnell verdünnt, kann sich die CO₂-Konzentrationen in geschlossenen Räumen schnell erhöhen. In besonders stark besuchten Räumen, wie z.B. Seminarräumen oder Schulzimmern, aber auch in besonders kleinen Innenräumen, wie beispielsweise einer Autokabine, kann sich die CO₂-Konzentration durchaus innerhalb weniger Minuten verzehnfachen. Während die atmosphärische CO₂-Konzentration relativ unabhängig vom Ort rund 400 ppm (parts-per-million) beträgt, können in Innenräumen bei ungenügender Lüftung bis zu 5000 ppm erreicht werden. Durch die Anreicherung von CO₂ wird der Stoffwechsel erschwert; bereits ab einer CO₂ Konzentration von 1000 ppm können Schläfrigkeit und Konzentrationsstörungen auftreten.
 

Aufgrund der spezifischen Wirkung von CO₂ auf den menschlichen Stoffwechsel ist eine selektive Messung dieses Moleküls gerechtfertigt. Für CO₂ bietet sich hierbei die selektive Anregung von Relativschwingungen der einzelnen Atome an, welche über Absorption von Infrarotlicht erreicht werden kann. Abbildung 1 zeigt die verschiedenen Absorptionsbanden von typischen in der Atmosphäre vorkommenden Gasen.

Hierbei stellt sich heraus, dass CO₂ bei 4,26 μm eine sehr ausgeprägte und mit anderen Gasen weitgehend überlappfreie Absorptionslinie aufweist, welche sich gut für eine selektive Messung eignet. Im Gegensatz zu NDIR-basierten Gassensoren, wie dem SCD30 von Sensirion, wird bei photoakustischen Sensoren nicht die Menge des transmittierten Lichts, sondern die Menge des im Gas absorbierten Lichts detektiert. Dies geschieht auf indirektem Wege, nämlich durch Ausnutzung des photoakustischen Effekts: Dieser Effekt beschreibt im Allgemeinen die Druckerhöhung nach der Lichtabsorption in einem Gas.
 

Durch IR-Strahlung angeregte Molekülen übertragen die Schwingungsanregung auf andere Moleküle was zu einer Erhöhung der Translationsenergie, d.h. zu einer lokalen Temperaturerhöhung, führt. In einem geschlossenen Volumen führt die Erhöhung der Translationsenergie zu einer Druckerhöhung, die von einem Druckwandler erfasst werden kann. Der allgemeine Aufbau eines nicht-resonanten photoakustischen Gassensors ist in der Abbildung 2 dargestellt.

PASens® Technologie

Die Schlüsselkomponenten eines photoakustischen Sensors sind ein überwiegend geschlossenes Messvolumen, das mit schmalbandigem IR Licht durchleuchtet wird, ein Mikrofon zur Erfassung der Druckänderungen im Messvolumen und einer Öffnung der Messzelle zur Umwelt, die einen Gasaustausch mit der Umgebung ermöglicht. Das schmalbandige IR Licht wird meist durch einen breitbandigen Emitter erzeugt, der das emittierte Licht durch einen optischen Bandpassfilter strahlt.
 

Bei einem photoakustischen Sensor wie dem SCD4x wird ein Signal erzeugt, das die CO₂-Konzentration wie folgt bestimmt:
 

• Die IR Lichtquelle wird eingeschaltet und emittiert schmalbandiges IR Licht in das Messvolumen. Dies führt zu Schwingungsanregungen der zu messenden Gas-Moleküle, hier CO₂.
• Nach einer kurzen Zeit (typischerweise einige Millisekunden) klingen die Schwingungen ab, was zu einem Temperaturanstieg führt, der wiederum eine Druckerhöhung zur Folge hat.
• Im Vergleich zu den An- und Abregungszeiten der Gasmoleküle gleicht sich der Druck innerhalb der Messkammer schnell aus, sodass der Druckanstieg mit einem an die Messkammer angeschlossenen Mikrofon erfasst werden kann.
• Nach einigen 10 ms wird die Lichtquelle abgeschaltet, wodurch die Temperatur und damit der Druck aufgrund der Thermalisierung der Messzelle mit der Umwelt abnimmt und das System wieder in seinen Ausgangszustand zurückkehrt.
   

Zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses des erzeugten Signals wird der obige Messzyklus mehrmals wiederholt. Hierzu wird die Lichtquelle moduliert, die erzeugten periodischen Druckänderungen können dann als Schallwellen betrachtet werden. Im Gegensatz zum SCD30, bei dem eine Glühbirne die erste Wahl war, wurde für den SCD4xein von Sensirion entwickelter MEMS-basierter Emitter gewählt. Dieser kann schnell moduliert werden, besitzt eine bessere Langzeitstabilität aufgrund einer aktiven Regelung. Zur Miniaturisierung und zum Schutz des Sensors vor Umwelteinflüssen werden bei SCD4x alle Komponenten innerhalb der Messzelle verbaut, siehe Abbildung 3.

Zusammenfassung

Einmal mehr ist Sensirion ein Vorreiter bei der Innovation im Bereich der Umweltsensorik zur Schaffung gesünderer und produktiverer Umgebungen. Die Erfolgsgeschichte in der CO₂-Sensorik mit SCD30 wird durch das Durchbrechen der Grössenbarriere für diese Sensoren mit dem SCD4x fortgeschrieben – SCD4x ist der erste miniaturisierte CO₂-Sensor, dessen Grösse und Preis die Integration in verschiedene Geräte innerhalb von Wohnhäusern erlaubt, ohne dass die Leistung im Vergleich zu herkömmlichen NDIR-basierten Sensoren beeinträchtigt wird. Die Grafik zeigt beispielhafte Anwendungen/Geräte, die mit der innovativen CO₂-Sensorlösung von Sensirion ausgerüstet werden können.

Diese neue Technologie für Umweltmessungen untermalt Sensirions Expertenstatus im Bereich Umweltsensorik. Den hohen Innovationsgrad des bald erhältlichen SCD4x CO₂-Sensors untermalen auch diverse Nominierungen. So wurde der Sensor bereits mit dem «Best of Sensors» - Award der Messe SensorsExpo 2019 prämiert, war Finalist im Bereich «Most Innovative Product» der Messe AHR 2020 und Finalist beim AMA Innovationsaward 2020.