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TU Berlin

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Elektronische Nasen

Multigassensorsysteme („elektronische Nasen“)
Multigassensorsysteme bestehen aus mehreren Sensoren, die unterschiedlich auf gasförmige Verunreinigungen reagieren. Die Sensoren reagieren hierbei nicht selektiv auf ein bestimmtes Gas sondern auf zahlreiche gasförmige Stoffe in der Raumluft. Durch diese geringe Selektivität können viele Geruchskomponenten mit wenigen Sensoren detektiert werden, es ist jedoch keine direkte Erkennung eines einzelnen Stoffes möglich. Der Name „elektronische Nase“ für diese Messsysteme folgt aus dem Wunsch die Funktionsweise der menschlichen Nase zu kopieren.

Die menschliche Nase erkennt mit einigen hundert verschiedenen Geruchszellen bis zu 10000 Gerüche. Der Geruchsreiz wird über Nervenbahnen ins Gehirn weitergeleitet. Erst im Gehirn wird aus den vielen Signalen ein Geruchseindruck ermittelt. Wie bei der menschlichen Nase müssen bei einem Multigassensorsystem die Messwerte durch einen geeigneten Algorithmus mit dem Geruchsempfinden des Menschen in Verbindung gebracht werden. Anders als die menschliche Nase detektieren die Multigassensorsysteme jedoch auch geruchlose Stoffe, die durch die menschliche Nase nicht wahrgenommen werden. Einige Stoffe können nicht von den bisher verwendeten Multisensorsystemen erfasst werden, obwohl sie mit der menschlichen Nase wahrgenommen werden können.

Die Sensorsysteme können so nur in stark vereinfachter Weise die Funktion der menschlichen Nase imitieren, die Bezeichnung elektronische Nase für diese Geräte führt zu Erwartungen an die Systeme, die sie in ihrer jetzigen Form nicht erfüllen können. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Gassensoren entwickelt, die nach unterschiedlichen Messprinzipien arbeiten. Einige der am häufigsten eingesetzten Sensortypen werden im Folgenden kurz vorgestellt.

Metalloxidsensoren

Metalloxidsensoren werden meist aus SnO2 gefertigt (es kommen aber auch andere Metalloxide zum Einsatz wie z.B. WO3). Durch Wechselwirkungen der gasförmigen Stoffe des Probengases mit dem Metalloxid an der Oberfläche werden Elektronen im Leitungsband frei bzw. gebunden. Die Leitfähigkeit des Sensors ändert sich je nach Gaszusammensetzung. Die Reaktionen laufen jedoch nur bei hohen Temperaturen ab. Zur Steuerung der Empfindlichkeit und Selektivität der Sensoren werden verschiedene sensitiven Schichten auf die Sensoroberfläche aufgetragen aber auch verschiedene Katalysatoren (Platin, Palladium) in den Sensor integriert.

Schwingquarze

Die Schwingquarze werden durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung zum Schwingen angeregt. Der Quarz beginnt aufgrund des piezoelektrischen Effekts auf einer Grundfrequenz zu schwingen. Durch eine besondere Beschichtung der Quarze werden die gasförmigen Stoffe der Probenluft in der sensitiven Sensorbeschichtung absorbiert. Die Masse des schwingenden Quarzes verändert sich und es kommt zu einer Variation der Schwingungsfrequenz.

Leitende Polymere
Wie bei den Metalloxidsensoren wird bei leitenden Polymeren auch die Änderung der Leitfähigkeit des Sensors als Messgröße herangezogen. Anders als die Metalloxidsensoren arbeiten diese Sensoren bei Raumtemperatur und benötigen weniger Energie. Sie sind speziell für die Detektion von polaren Molekülen geeignet.Neben den aufgeführten Sensorarten gibt es noch zahlreiche andere die hier nicht näher erläutert werden sollen (z.B. optische Sensoren, kalorische Sensoren, elektrochemische Sensoren usw.)Am Institut werden zur Zeit zwei verschiedene elektronischen Nasen eingesetzt:

Kamina
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Die elektronische Nase Kamina (Karlsruher Mikronase) wurde vom Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt. Am Institut wird mit diesem Sensorsystem seit 1998 gearbeitet. Eine neuere Version der Kamina wurde dem Institut 2002 für die aktuellen Forschungsvorhaben zur Verfügung gestellt. Die verwendeten Nasen bestehen aus 38 Zinnoxidsensoren. Kamina wurde so konstruiert, dass sie klein und leicht zu handhaben ist. Durch einen regelbaren Lüfter im Messkopf wird die zu bewertende Probenluft durch die Messkammer gefördert. Der Massenstrom wird nicht gemessen oder geregelt. Ein zweiter Messkopf mit einer kleineren Messkammer mit Anschlussleitungen erlaubt es andere Probengase als die Umgebungsluft der „Nase“ zu bewerten. Die Messkammer ist zur Umgebung abgeschlossen. Die Strömung des zu untersuchenden Gases über die Sensoren muss durch eine externe Pumpe angetrieben werden.

MOSES II:
Die elektronische Nase MOSES II wurde an der Universität Tübingen entwickelt. Der Name MOSES steht für Modulares Sensorsystem. Sie besteht aus einem Computergehäuse (mit Netzteil und Messwertübertragung) in das unterschiedliche Sensormodule eingebaut und miteinander verschaltet werden können. Die Sensormodule bestehen aus einer Messkammer mit dem Sensor-Array und einer Steuer- und Auswerteelektronik. Anders als Kamina ist Moses II mit einer eigenen Massenstromsteuerung (bestehend aus einem Flowmeter und einer Pumpe) ausgestattet sowie mit einem Feuchte- und Temperatursensor. Die Am Hermann-Rietschel-Institut eingesetzte elektronische Nase, ist mit einem Schwingquarzmodul und einem Metalloxidsensormodul (SnO2) mit jeweils 8 Sensoren ausgestattet.

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