Gassensorik


Ziel
Verwendung von polymerbeschichteten Schwingquarzen für die Überwachung von Textilreinigungsmaschinen und von Gerüchen in Kompostieranlagen und in der Intensivtierhaltung.


Grundlagen

Der Schwingquarz wird mit einem funktionalisierten Polymer beschichtet (Abb. 2), das die Anlagerung von Analyten erlaubt. Die Funktionalisierung der Polymere erfolgt in Hinblick auf die jeweils zu detektierenden Gase. Wird ein Analyt adsorbiert, ändert sich die Massebelegung auf dem Quarz (untere Gleichung), die zu einer Frequenzänderung führt (obere Gleichung), welche meßtechnisch erfasst wird.


Messstand
Abbildungen 1 und 3 zeigen den verwendeten Messaufbau, mit dem Gaskonzentrationen im Bereich zwischen 1 ppm und 10% zunächst eingestellt und dann elektronisch erfasst werden können. Insgesamt können Gaskonzentrationen für die Messung von bis zu fünf verschiedenen Analyten oder entsprechenden Gasgemischen eingestellt werden. Die Thermostate und die Luftfeuchteregelung gestatten Messungen mit verschiedenen Parametern im Bereich von Raumtemperatur bis 80 °C und von 0 bis 100% relativer Luftfeuchte. Während der Messung wird der Gesamtgasfluss durch die Messkammer konstant gehalten. Das pneumatisch geregelte 4-Wege-Ventil gestattet das Umschalten zwischen Analyt- und Spülgas.

In der Messkammer befinden sich vier Schwingquarze, wodurch bei Nutzung eines Kanals als Referenz drei Analyten erfassbar werden. Es wird eine Resonatorschaltung für die Grundfrequenz 10 MHz verwendet, die eine hohe Verstimmung zuläßt und damit auch Untersuchungen mit dickeren Polymerschichten erlaubt. Die Daten werden mit Zählern erfasst und über ein RS232-Interface zur Weiterverarbeitung an den Rechner geleitet. Dort kann der entsprechenden Frequenzänderung des Quarzes eine Gaskonzentration des Analyten zugeordnet werden. Die Ansteuerung der Massenflußcontroller (MFC) und der Magnetventile erfolgt ebenfalls rechnergesteuert.

Es ist wichtig, die verwendeten Polymere so zu funktionalisieren, dass sie möglichst wenig Querempfindlichkeiten zu anderen Komponenten aufweisen. Für die Erfassung von Gasgemischen soll eine Mustererkennug mittels neuronalen Netz dienen.

Typische Messungen

Bild (4) zeigt ein typisches Messergebnis. Dargestellt ist die konzentrationsabhängige Frequenzänderung eines mit PTDMS (Polytetradecylmethylsiloxan) beschichteten Quarzes. Der Analyt ist hier ein Gemisch, welches aus den Kohlenwasserstoffen C10 ... C12 besteht. Eine sehr hohe Linearität des Signals ist erkennbar. Eingezeichnet ist auch die gesetzlich zulässige maximale Arbeitsplatz- konzentration (MAK) für diese Komponenten. Für die Verwendung eines solchen Quarzes als Sensor zur Überwachung der Raumluft in der Textilindustrie sind somit hervorragende Voraussetzungen vorhanden.

Am Lehrstuhl werden Untersuchungen zu folgenden Schwerpunkten durchgeführt.

  • Funktioanalisierung der Polymere
  • Verwendbarkeit der Polymere
  • Empfindlichkeit
  • Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Dicke der Polymerschicht
  • Temperaturverhalten
  • Luftfeuchteabhängigkeit
  • Wiederholbarkeit
  • Langzeitmessungen
  • Simulierte Überschreitungen der MAK-Werte
  • Verwendbarkeit verschiedener Resonatorschaltungen
  • Entwicklung von polymeren Elektroden

Literatur

  • R. Zhou, D. Schmeißer and W. Göpel: Sensors and Actuators B 33 (1996) 188-193

  • G. Sauerbrey: Z. Phys. 155 (1959) 206.

  • A. Oprea, K. Henkel, R. Oehmgen, G. Appel, D. Schmeißer: Increased sensor sensitivities obtained by polymer coated quartz microbalances.
    Materials Science and Engineering C8-9(1999) 509-512.

  • D. Schmeißer, G. Appel, A. Yfantis, W. Göpel: Highly conductive polypyrrole films on nonconductive substrates.
    Synthetic Metals 83 (1996) 197.

  • G. Appel, R. Mikalo, K. Henkel, A. Oprea, A. Yfantis, I. Paloumpa: D. Schmeißer: Polymeric Electrodes.
    Solid-State Electronics 44 (2000) 855-861.

  • K. Henkel, A. Oprea, I. Paloumpa, G. Appel, D. Schmeißer, P. Kamieth: Selective polypyrrole electrodes for quartz micro balances:
    NO2 and gas flux sensitivities. Sensors and Actuators B 76/1-3 (2001) 124-129.

  • K. Henkel, I. Paloumpa, A. Oprea, G. Appel, D. Schmeißer, W. Frandsen, M. Schölzel: Entwicklung von Sensoren mit Elektroden aus leitfähigen Polymeren, Teilbericht 16SV335/7 im Gemeinsamen Abschlußbericht zum Verbundprojekt Sensoren mit mikrostrukturierten Elektroden aus leitfähigen Polymeren. Bekleidungsphysiologisches Institut Hohenstein e.V., Schloss Hohenstein,D-74357 Boennigheim,März 2000

Wir danken dem Bundesminister für Bildung , Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) für die finanzielle Unterstützung (16SV3357 "Polymelek")

Unsere Webseite verwendet Cookies. Diese haben zwei Funktionen: Zum einen sind sie erforderlich für die grundlegende Funktionalität unserer Website. Zum anderen können wir mit Hilfe der Cookies unsere Inhalte für Sie immer weiter verbessern. Hierzu werden pseudonymisierte Daten von Website-Besuchern gesammelt und ausgewertet. Das Einverständnis in die Verwendung der technisch nicht notwendigen Cookies können Sie jeder Zeit wiederrufen. Weitere Informationen erhalten Sie auf unseren Seiten zum Datenschutz.

Erforderlich

Diese Cookies werden für eine reibungslose Funktion unserer Website benötigt.

Statistik

Für den Zweck der Statistik betreiben wir die Plattform Matomo, auf der mittels pseudonymisierter Daten von Websitenutzern der Nutzerfluss analysiert und beurteilt werden kann. Dies gibt uns die Möglichkeit Websiteinhalte zu optimieren.

Name Zweck Ablauf Typ Anbieter
_pk_id Wird verwendet, um ein paar Details über den Benutzer wie die eindeutige Besucher-ID zu speichern. 13 Monate HTML Matomo
_pk_ref Wird benutzt, um die Informationen der Herkunftswebsite des Benutzers zu speichern. 6 Monate HTML Matomo
_pk_ses Kurzzeitiges Cookie, um vorübergehende Daten des Besuchs zu speichern. 30 Minuten HTML Matomo