Technologie

Chemoresistives Messprinzip

Metalloxid-Sensoren basieren auf einem Film aus Metalloxidpartikeln zwischen zwei Elektroden, die auf einem Heizelement aufgebracht sind. Beim Erwärmen werden negativ geladene Sauerstoffspezies erzeugt, die an der Metalloxidoberfläche absorbiert werden und dort mit den Zielgasen der Umgebung reagieren. Dabei werden Elektronen im Metalloxidfilm freigesetzt, wodurch sich der elektrische Widerstand der Metalloxidschicht ändert. Die Änderung des spezifischen Widerstandes wird zwischen den beiden Elektroden gemessen und hängt direkt von der umgebenden Konzentration der Zielgase ab.

Multi-Pixel Gassensorplattform

Die Multi-Pixel-Gassensor-Plattform integriert vier Metalloxid-Sensorelemente – die Pixel – in einem sehr kleinen DFN-Gehäuse. Sie bietet ein komplettes Sensorsystem auf einem einzigen Chip mit digitaler I²C-Schnittstelle, die direkt mit jedem Mikroprozessorsystem verbunden werden kann und somit eine zeit- und kosteneffiziente Integration ermöglicht. Vier individuelle temperaturgesteuerte Mikroheizplatten sorgt für einen stabilen Betrieb der vier einzelnen Sensorpixel. On-Chip-Algorithmen wandeln die Sensorsignale der Pixel in vorverarbeitete Digitalsignale um.

MOXSens® Technologie

Optimierte Metalloxid-Sensormaterialien in Kombination mit Sensirions Multi-Pixel-Gassensor-Plattform ergeben eine einzigartige Widerstandsfähigkeit gegen Kontamination durch Siloxane. Die MOXSens® Technologie von Sensirion ermöglicht hochempfindliche und zuverlässige Gasmessungen von Luftschadstoffen, wie z.B. flüchtige organische Verbindungen (VOCs) in Innenräumen.

Photoakustisches Messprinzip

Die SCD4x Produktlinie basiert auf dem Photoakustischen Messprinzip, welche eine drastische Miniaturisierung der optischen Messzelle ermöglicht ohne dabei die Sensor Performance zu beinträchtigen. Schmalrandiges Licht wird in eine Messzelle emittiert. Durch CO₂-Moleküle absorbiertes Licht resultiert in einer erhöhten Translationsenergie der Moleküle, welche sich aufgrund der geschlossenen Messzelle in einer Druckerhöhung niederschlägt. Eine Modulation der Lichtquelle bewirkt eine periodische Druckänderung in der Messzelle, das Photoakustische Signal, welche mit einem Mikrofon gemessen wird. 

PASens® Technologie

Die innovative PASens® Technologie liegt Sensirion’s langjähriger Erfahrung in der hohen Integration von Umweltsensoren zugrunde:

• Hohe Energieeffizient und eine aussergewöhnliche Langzeitstabilität werden dank dem Sensirion MEMS-IR-Emitter ermöglicht.
• Der integrierte Luftfeuchte Sensor ermöglicht genaue CO₂ Messungen in einem grossen relativen Feuchte- und Temperaturbereich. 
• Höchste Genauigkeit und geringste Rauschwerte werden dank dem optimierten Signalprozessor erreicht 
• Unschlagbare Sensor-Robustheit wird dank der Edelmetallkappe realisiert. 

Optisch Non-Dispersive Infrared (NDIR)

Das Non-Dispersive Infrared (NDIR) Messprinzip basiert auf der Absorption von Infrarotlicht durch das zu detektierende Gas. NDIR-Sensoren bestehen aus einem schmalbandigem Infrarotlicht Emitter und einem Detektor, welcher misst, wie viel Infrarotlicht einer bestimmten Wellenlänge von der Umgebungsluft absorbiert wird. Diese Messung wird dann verwendet, um die Konzentration eines bestimmten Gases zu berechnen.

Dual-channel principle

Der SCD30 basiert auf dem dual-channel Messprinzip. Dank dem eingebauten Referenzkanal, werde Sensor-Drifts automatisch korrigiert, was zu einer hervorragender Langzeitstabilität des Sensors führt. Die aussergewöhnliche Messgenauigkeit werden dank Sensirion CMOSens Detektoren realisiert. Die dünne Bauform des Sensors wird durch die Integration der Messzelle ins PCB ermöglicht. Zusätzlich zu der CO₂ Konzentration misst der SCD30 die Umgebungsfeuchte und Temperatur dank des integrierten Luftfeuchtigkeitssensor. 

Thermische Leitfähigkeit

Das Messen der Wärmeleitfähigkeit (TC) eines Gasgemisches, erlaubt Rückschlüsse auf seine Zusammensetzung.  Der STC31 misst die TC von Luft, indem in seiner Messkammer ein Heizer und ein Temperatursensor sind, die durch eine gasdurchlässige Membran geschützt sind.  Da die TC von CO₂ niedriger ist als die von Luft führt einer höherer CO₂ Gehalt zu einer Temperaturabnahme am Temperatursensor. Aufbauend auf unserem umfangreichen Wissen über mikrothermische Flusssensoren wurde ein Gasmodell entwickelt, um diese Temperaturänderung als CO₂-Konzentration in Luft genau zu quantifizieren.

Grosser Messbereich

Basierend auf Sensirions CMOSens® Technologie stellt der vollständig kalibrierte STC31 eine Erweiterung der CO₂-Sensoren von Sensirion dar. Kombiniert mit dem Messprinzip der Wärmeleitfähigkeit (TC) ermöglicht der STC31 die Messung von zu bis 100% CO₂ in Luft. Da die TC von den Umgebungsbedingungen des Gases abhängt, verfügt der Sensor über eingebaute Kompensationsalgorithmen. Durch das Bereitstellen der korrekten Gastemperatur, Gasfeuchtigkeit und des Umgebungsdrucks werden diese Einflüsse vom Sensor kompensiert und ermöglichen eine genaue sowie zuverlässige Messungen.

Aussergewöhnliche Reaktionszeit / Low Power Mode

Die optimierte Sensorgeometrie ermöglicht sehr schnelle Ansprechzeiten, da nur wenig Gas zwischen dem Heizer und dem Temperatursensor diffundieren muss, um eine Temperaturänderung zu bewirken auszulösen. Gleichzeitig ermöglicht die Integration aller Funktionen auf einem Chip und die hohe Sensitivität des Temperatursensors einen «Low Power Mode», der das Einbauen in batteriebetriebene Geräte ermöglicht.

Photoakustische NDIR (PA)

PA nutzt eine gepulste IR-Lichtquelle, die Wellenlängen emittiert, die von CO₂ absorbiert werden. Die Absorption des Lichts durch CO₂-Moleküle führt zu zusätzlicher molekularer Vibration, wodurch der Druck in der Messzelle steigt. Da die Lichtquelle gepulst ist, tritt dieser Druckanstieg periodisch auf und erzeugt eine akustische Welle. Je mehr CO₂-Moleküle vorhanden sind, desto grösser ist die Amplitude der akustischen Welle. Diese wird von einem Mikrofon erfasst, um die CO₂-Konzentration zu berechnen.

PASens®-Technologie

• Die innovative PASens®-Technologie basiert auf Sensirions Erfahrung in der hochintegrierten Umsetzung von Umweltsensoren:
• Hohe Energieeffizienz und aussergewöhnliche Langzeitstabilität dank Sensirions MEMS-IR-Emitter.
• Integrierter Feuchtigkeitssensor für präzise CO₂-Messungen über einen weiten Bereich von relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur.
• Höchste Genauigkeit und niedrigste Rauschwerte durch den optimierten Signalprozessor.
• Unübertroffene Sensorrobustheit durch eine Metallkappe, die alle Sensorkomponenten schützt.

Wärmeleitfähigkeit (TC)

TC basiert auf der inhärenten Wärmeleitfähigkeit aller Gase. Durch ein genaues Verständnis der Gaszusammensetzung in der Umgebung können selbst geringe Veränderungen der Gaskonzentrationen erkannt werden. Das Messprinzip beruht darauf, die Luft innerhalb einer Messkammer zu erwärmen und den Wärmetransfer mit einem Temperatursensor zu erfassen.

Grosser Messbereich

Basierend auf der bewährten CMOSens® Technologie und dem Messprinzip der thermischen Wärmeleitfähigkeit (TC) decken unsere CO₂-Sensoren einen besonders grossen Messbereich ab. Der vollständig kalibrierte STC31-C ermöglicht hochpräzise Messungen von CO₂-Konzentrationen bis zu 100 % in Luft und eignet sich ideal für Anwendungen mit hohen Konzentrationen, beispielsweise in der Atemgasanalyse oder zur Leckageerkennung. Der kompakte STCC4 ist für die präzise Überwachung typischer CO₂-Konzentrationen in Innenräumen optimiert und eignet sich für Anwendungen in der Luftqualitätsüberwachung und Lüftungssteuerung. Beide Sensoren verfügen über integrierte Kompensationsalgorithmen, die mit externen Sensordaten Einflüsse von Temperatur, Feuchte und Druck ausgleichen und so eine zuverlässige und präzise CO₂-Messung in einem breiten Anwendungsspektrum ermöglichen.

Aussergewöhnlich schnelle Reaktionszeit / Energiesparmodus

Die optimierte Sensorgeometrie ermöglicht sehr schnelle Reaktionszeiten, da nur eine geringe Gasmenge zwischen Heizelement und Temperatursensor diffundieren muss, um eine Temperaturänderung auszulösen. Gleichzeitig erlaubt die Integration aller Funktionen auf einem Chip sowie die hohe Empfindlichkeit des Temperatursensors einen „Low Power Mode“, der den Einsatz in batteriebetriebenen Geräten ermöglicht.

Optisches laserbasiertes Messprinzip

Das Messprinzip basiert auf Laserstreuung. Im Inneren des Sensors wird mithilfe eines Ventilators ein Luftstrom erzeugt. Feinstaub aus der Umgebungsluft wird durch den Luftstrom vom Einlass des Sensors bis zum Auslass getragen. In der Nähe der Fotodiode passieren die im Luftstrom enthaltenen Partikel einen fokussierten Laserstrahl und streuen dabei das Laserlicht. Dieses Streulicht wird von der Fotodiode in ein elektrisches Signal gewandelt und auf dem internen Mikrokontroller mittels Algorithmik in einen Ausgabewert für die Masse- und Anzahlkonzentration konvertiert.

Staubresistenz

Basierend auf mehr als 20 Jahren Erfahrung in der Konstruktion von Strömungssensoren für zahlreiche anspruchsvolle Märkte und Anwendungsbereiche haben die Ingenieure von Sensirion eine innovative und proprietäre Strömungsführungs-Technologie entwickelt. Mit deren Hilfe werden Staub- und Schmutzablagerungen an den optischen Komponenten vermieden und eine aussergewöhnliche Langzeitstabilität ermöglicht. 

Performance

Die proprietären Algorithmen von Sensirion nutzen ein neues Konzept, das unabhängig vom Partikeltyp eine Bestimmung der Grössenklassen zulässt und damit die Messung der Massenkonzentration deutlich verbessert. Dies bietet eine höhere Genauigkeit bei der Unterscheidung von Aerosolen und ermöglicht eine aussergewöhnlich präzise Messung bei unterschiedlichsten Umweltbedingungen. 

Elektro-chemisches Messprinzip

Der SFA30 basiert auf einem amperometrischen elektrochemischen Messprinzip, das geringste Querempfindlichkeiten und eine hervorragende Langzeitstabilität ermöglicht.  An der Arbeitselektrode wird Formaldehyd zersetzt und es fliesst ein elektrischer Strom zwischen der Gegenelektrode und der Arbeitselektrode. Der Strom ist proportional zur Formaldehydkonzentration. Dank der Sensirion-spezifischen Chemie ist der Sensor selektiv für Formaldehyd gegenüber anderen VOCs.

Thermisches Messprinzip

Der Flüssigkeitsfluss wird über ein thermisches Messprinzip ermittelt. Ein steuerbares Heizelement befindet sich in der Mitte einer druckstabilen Membran und symmetrisch davon ist jeweils aufwärts und abwärts in Strömungsrichtung je ein Temperatursensor aufgebracht. Jede Strömung über dieser Membran verursacht eine thermische Verfrachtung der Wärme zum stromabwärts gelegenen Temperatursensor und generiert somit durch die entstandene Temperaturdifferenz ein präzise messbares Signal. Der mikrothermische Strömungssensor wird eingebunden, indem diese druckstabilisierte und mit Glas passivierte Membran in den Siliziumchip geätzt wird.

Temperaturkompentation und vollständige Kalibrierung

Auf dem Chip befindet sich ein Temperatursensor, durch dessen Signal eventuell auftretende Temperatureffekte kompensiert werden. Dadurch erübrigt sich der Einbau von zusätzlichen Korrektursensoren und macht folglich die Technologie von Sensirion zu einer sehr kostengünstigen und platzsparenden Lösung. Zusätzlich ist auf dem Chip eine digitale Prozessschaltung und eine Speicherzelle integriert, um die Kalibrationsdaten zu speichern. Jeder Sensirion Sensor wird während der Produktion individuell kalibriert. Das Signal ist also jederzeit vollständig kalibriert, linearisiert und temperaturkompensiert.

Hohe Stabilität und Zuverlässigkeit

Die Flüssigkeitssensoren basierend auf der CMOSens® Technologie bieten eine Vielzahl von Vorteilen und überzeugen mit höchster Stabilität, Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit. Die kalibrierten und stabilen Sensoren für verschiedene Applikationen ermöglichen sehr präzise und schnelle Messungen von niedrigen (100 ml/min) bis sehr niedrigen (nl/min) Durchflussraten.

Thermisches Messprinzip

Der Massenfluss wird über ein thermisches Messprinzip ermittelt. Ein steuerbares Heizelement befindet sich in der Mitte einer druckstabilen Membran und symmetrisch davon ist jeweils aufwärts und abwärts in Strömungsrichtung je ein Temperatursensor aufgebracht. Jede Strömung über dieser Membran verursacht eine thermische Verfrachtung der Wärme zum stromabwärts gelegenen Temperatursensor und generiert somit durch die entstandene Temperaturdifferenz ein präzis messbares Signal. Der mikrothermische Strömungssensor wird eingebunden, indem diese druckstabilisierte und mit Glas passivierte Membran in den Siliziumchip geätzt wird.

Hohe Sensitivität und bidirektionale Messungen

Die CMOSens® Gasflusssensoren übertreffen herkömmliche Sensoren mit piezoresistiven Membranen hinsichtlich Empfindlichkeit bei geringen Flussraten oder Druckdifferenzen, Offset-Drift und Hysterese sowie auch bezüglich Lageempfindlichkeit, Stossfestigkeit und Temperaturschwankungen. Alle Sensoren messen bidirektional.

Temperaturkompensation und vollständige Kalibrierung

Auf dem Chip befindet sich ein Temperatursensor, durch dessen Signal eventuell auftretende Temperatureffekte kompensiert werden. Dadurch erübrigt sich der Einbau von zusätzlichen Korrektursensoren und macht folglich die Technologie von Sensirion zu einer sehr kostengünstigen und platzsparenden Lösung. Zusätzlich befindet sich auf dem Chip eine digitale Prozessschaltung und einen Speicher für Kalibrationsdaten. Jeder Sensirion Sensor wird während der Produktion individuell kalibriert. Das Signal ist also jederzeit vollständig kalibriert, linearisiert und temperaturkompensiert.

Verschiedene Sensorlösungen

Basierend auf dem auf dem thermischen Messprinzip bietet Sensirion unterschiedliche Gasflusssensor-Lösungen: Flow-Sensoren, Massenflussregler, Differenzdrucksensoren. Die einzelnen Sensorlösungen unterscheiden sich im Aufwand der für eine Integration ins Kundensystem erforderlich ist. Durchflusssensor-Lösungen oder sogar Controller-Lösung eignen sich insbesondere für Projekte mit mittleren und kleinen  Stückzahlen. Hier ist eine Plug-and-Play-Lösung vorteilhaft, diese hilft das Produkt schnell an den Markt zu bringen. Für Anwendungen mit hohen Stückzahlen oder Anwendungen mit besonderen Anforderungen an den Formfaktor ist ein Differenzdrucksensor in einer Bypass-Konfiguration die beste Wahl.