Mit der rasanten Entwicklung von Technologien wie dem Internet der Dinge und künstlicher Intelligenz eröffnen sich für Gassensoren, wichtige Sensoren, die als „elektrische fünf Sinne“ bekannt sind, beispiellose Entwicklungsmöglichkeiten. Von der anfänglichen Überwachung giftiger und schädlicher Gase in der Industrie bis hin zu ihrer breiten Anwendung in der medizinischen Diagnostik, im Smart Home, in der Umweltüberwachung und anderen Bereichen durchläuft die Gassensortechnologie heute einen tiefgreifenden Wandel von der Einzelfunktion hin zu Intelligenz, Miniaturisierung und Mehrdimensionalität. Dieser Artikel analysiert umfassend die technischen Eigenschaften, den neuesten Forschungsstand und den weltweiten Anwendungsstatus von Gassensoren und legt dabei besonderes Augenmerk auf die Entwicklungstrends im Bereich der Gasüberwachung in Ländern wie China und den USA.
Technische Eigenschaften und Entwicklungstrends von Gassensoren
Als Konverter, der den Volumenanteil eines bestimmten Gases in das entsprechende elektrische Signal umwandelt, ist der Gassensor zu einem unverzichtbaren und wichtigen Bestandteil der modernen Sensortechnologie geworden. Diese Art von Geräten verarbeitet Gasproben durch Detektionsköpfe. Dabei werden typischerweise Verunreinigungen und Störgase herausgefiltert, getrocknet oder gekühlt, und die Gaskonzentration wird schließlich in messbare elektrische Signale umgewandelt. Derzeit sind verschiedene Arten von Gassensoren auf dem Markt erhältlich, darunter Halbleitersensoren, elektrochemische Sensoren, katalytische Verbrennungssensoren, Infrarot-Gassensoren und Photoionisations-Gassensoren (PID). Jeder von ihnen hat seine eigenen Eigenschaften und wird häufig in zivilen, industriellen und Umwelttests eingesetzt.
Stabilität und Empfindlichkeit sind die beiden wichtigsten Indikatoren zur Bewertung der Leistung von Gassensoren. Stabilität bezeichnet die Beständigkeit der Grundreaktion eines Sensors über seine gesamte Betriebszeit, die von Nullpunktdrift und Intervalldrift abhängt. Idealerweise sollte die jährliche Nullpunktdrift bei hochwertigen Sensoren unter Dauerbetriebsbedingungen weniger als 10 % betragen. Empfindlichkeit bezeichnet das Verhältnis der Änderung des Sensorausgangs zur Änderung des gemessenen Eingangssignals. Die Empfindlichkeit verschiedener Sensortypen variiert erheblich und hängt hauptsächlich von den verwendeten technischen Prinzipien und der Materialauswahl ab. Darüber hinaus sind Selektivität (d. h. Querempfindlichkeit) und Korrosionsbeständigkeit wichtige Parameter zur Bewertung der Leistung von Gassensoren. Erstere bestimmt die Erkennungsfähigkeit des Sensors in einer Mischgasumgebung, während letztere die Toleranz des Sensors gegenüber hochkonzentrierten Zielgasen bestimmt.
Die aktuelle Entwicklung der Gassensortechnologie weist mehrere deutliche Trends auf. Zunächst wird die Forschung und Entwicklung neuer Materialien und Verfahren intensiviert. Traditionelle Metalloxid-Halbleitermaterialien wie ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ usw. sind ausgereift. Forscher dotieren, modifizieren und oberflächenmodifizieren bestehende gassensitive Materialien durch chemische Modifizierungsverfahren und verbessern gleichzeitig den Filmbildungsprozess, um die Stabilität und Selektivität der Sensoren zu erhöhen. Gleichzeitig wird die Entwicklung neuer Materialien wie gassensitiver Verbund- und Hybridhalbleitermaterialien sowie gassensitiver Polymermaterialien aktiv vorangetrieben. Diese Materialien weisen eine höhere Sensitivität, Selektivität und Stabilität gegenüber verschiedenen Gasen auf.
Intelligente Sensoren sind eine weitere wichtige Entwicklungsrichtung. Durch den erfolgreichen Einsatz neuer Materialtechnologien wie Nanotechnologie und Dünnschichttechnologie werden Gassensoren immer integrierter und intelligenter. Durch die Nutzung multidisziplinärer integrierter Technologien wie Mikromechanik und Mikroelektronik, Computertechnologie, Signalverarbeitung, Sensorik und Fehlerdiagnose entwickeln Forscher vollautomatische, digitale, intelligente Gassensoren, die mehrere Gase gleichzeitig überwachen können. Ein kürzlich von der Forschungsgruppe um Professor Yi Jianxin vom State Key Laboratory of Fire Science der University of Science and Technology of China entwickelter multivariabler Sensor mit chemischem Widerstandspotenzial ist ein typisches Beispiel für diesen Trend. Dieser Sensor ermöglicht die dreidimensionale Erkennung und genaue Identifizierung mehrerer Gase und Brandmerkmale mit einem einzigen Gerät 59.
Auch die Array-Bildung und Algorithmusoptimierung gewinnen zunehmend an Bedeutung. Aufgrund des breitbandigen Ansprechverhaltens einzelner Gassensoren kommt es bei gleichzeitigem Vorhandensein mehrerer Gase zu Interferenzen. Die Verwendung mehrerer Gassensoren in einem Array hat sich als effektive Lösung zur Verbesserung der Erkennungsleistung erwiesen. Durch die Vergrößerung der Größe des erkannten Gases kann das Sensor-Array mehr Signale erfassen, wodurch mehr Parameter ausgewertet und die Beurteilungs- und Erkennungsleistung verbessert werden können. Mit zunehmender Anzahl der Sensoren im Array steigt jedoch auch die Komplexität der Datenverarbeitung. Daher ist die Optimierung des Sensor-Arrays besonders wichtig. Bei der Array-Optimierung finden Methoden wie Korrelationskoeffizienten- und Clusteranalyse breite Anwendung, während Gaserkennungsalgorithmen wie die Hauptkomponentenanalyse (PCA) und künstliche neuronale Netze (KNN) die Mustererkennungsleistung von Sensoren erheblich verbessert haben.
Tabelle: Leistungsvergleich der wichtigsten Gassensortypen
Sensortyp, Funktionsprinzip, Vor- und Nachteile, typische Lebensdauer
Die Gasadsorption auf Halbleiterbasis hat geringe Kosten bei der Änderung des Widerstands von Halbleitern, eine schnelle Reaktion, eine schlechte Selektivität und wird 2-3 Jahre lang stark von Temperatur und Feuchtigkeit beeinflusst
Elektrochemisches Gas durchläuft REDOX-Reaktionen, um Strom zu erzeugen, der eine gute Selektivität und hohe Empfindlichkeit aufweist. Der Elektrolyt weist jedoch einen begrenzten Verschleiß auf und hat eine Lebensdauer von 1–2 Jahren (bei flüssigem Elektrolyt).
Die Verbrennung brennbarer Gase durch katalytische Verbrennung verursacht Temperaturänderungen. Es ist speziell für die Erkennung brennbarer Gase konzipiert und ist nur für etwa drei Jahre auf brennbare Gase anwendbar
Infrarotgase absorbieren Infrarotlicht bestimmter Wellenlängen mit hoher Genauigkeit und verursachen keine Vergiftung. Sie sind jedoch teuer und haben ein relativ großes Volumen für 5 bis 10 Jahre.
Photoionisation (PID) Ultraviolett-Photoionisation zur Gasmolekülerkennung von VOCs hat eine hohe Empfindlichkeit und kann die Arten von Verbindungen 3 bis 5 Jahre lang nicht unterscheiden
Es ist erwähnenswert, dass die Gassensortechnologie trotz erheblicher Fortschritte noch immer mit einigen allgemeinen Herausforderungen konfrontiert ist. Die Lebensdauer der Sensoren schränkt ihre Anwendung in bestimmten Bereichen ein. Beispielsweise beträgt die Lebensdauer von Halbleitersensoren etwa zwei bis drei Jahre, die von elektrochemischen Gassensoren aufgrund von Elektrolytverlust etwa ein bis zwei Jahre, während die von elektrochemischen Sensoren mit Festkörperelektrolyt bis zu fünf Jahre betragen kann. Darüber hinaus sind Driftprobleme (Änderungen der Sensorreaktion im Laufe der Zeit) und Konsistenzprobleme (Leistungsunterschiede zwischen Sensoren derselben Charge) wichtige Faktoren, die die breite Anwendung von Gassensoren einschränken. Als Reaktion auf diese Probleme bemühen sich Forscher einerseits um die Verbesserung gassensitiver Materialien und Herstellungsverfahren, andererseits kompensieren oder unterdrücken sie den Einfluss der Sensordrift auf die Messergebnisse durch die Entwicklung fortschrittlicher Datenverarbeitungsalgorithmen.
Die vielfältigen Anwendungsszenarien von Gassensoren
Die Gassensortechnologie hat alle Bereiche des gesellschaftlichen Lebens durchdrungen. Ihre Anwendungsszenarien gehen längst über den traditionellen Bereich der industriellen Sicherheitsüberwachung hinaus und breiten sich rasant in verschiedene Bereiche aus, wie z. B. Medizin, Umweltüberwachung, Smart Home und Lebensmittelsicherheit. Dieser Trend zu vielfältigen Anwendungen spiegelt nicht nur die Möglichkeiten des technologischen Fortschritts wider, sondern verkörpert auch die wachsende gesellschaftliche Nachfrage nach Gasdetektion.
Industrielle Sicherheit und Überwachung gefährlicher Gase
Im Bereich der Arbeitssicherheit spielen Gassensoren eine unverzichtbare Rolle, insbesondere in Hochrisikobranchen wie der chemischen Industrie, der Erdölindustrie und dem Bergbau. Chinas „14. Fünfjahresplan für die sichere Produktion gefährlicher Chemikalien“ fordert von Chemieparks ausdrücklich die Einrichtung eines umfassenden Überwachungs- und Frühwarnsystems für giftige und schädliche Gase sowie die Förderung des Aufbaus intelligenter Risikokontrollplattformen. Der „Aktionsplan Industrielles Internet plus Arbeitssicherheit“ ermutigt die Parks zudem, IoT-Sensoren und KI-Analyseplattformen einzusetzen, um eine Echtzeitüberwachung und koordinierte Reaktion auf Risiken wie Gaslecks zu ermöglichen. Diese politischen Vorgaben haben den Einsatz von Gassensoren im Bereich der Arbeitssicherheit stark gefördert.
Moderne industrielle Gasüberwachungssysteme bieten vielfältige technische Möglichkeiten. Die Gaswolken-Bildgebungstechnologie visualisiert Gaslecks, indem sie Gasmassen als Änderungen der Pixel-Graustufen im Bild darstellt. Ihre Erkennungsfähigkeit hängt von Faktoren wie Konzentration und Volumen des ausgetretenen Gases, Hintergrundtemperaturunterschieden und der Überwachungsentfernung ab. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie kann über 500 Gasarten, darunter anorganische, organische, giftige und schädliche, qualitativ und semiquantitativ überwachen und 30 Gasarten gleichzeitig scannen. Sie eignet sich für die komplexen Anforderungen der Gasüberwachung in Chemieparks. In Kombination mit herkömmlichen Gassensoren bilden diese fortschrittlichen Technologien ein mehrstufiges industrielles Gassicherheitsüberwachungsnetzwerk.
Auf der spezifischen Implementierungsebene müssen industrielle Gasüberwachungssysteme eine Reihe nationaler und internationaler Standards einhalten. Chinas „Design Standard for Detection and Alarm of Flammable and Toxic Gases in Petrochemical Industry“ GB 50493-2019 und „General Technical Specification for Safety Monitoring of Major Hazardous Sources of Hazardous Chemicals“ AQ 3035-2010 enthalten technische Spezifikationen für die industrielle Gasüberwachung 26. Auf internationaler Ebene hat die OSHA (Occupational Safety and Health Administration der Vereinigten Staaten) eine Reihe von Gaserkennungsstandards entwickelt, die eine Gaserkennung vor Arbeiten in geschlossenen Räumen vorschreiben und sicherstellen, dass die Konzentration schädlicher Gase in der Luft unter dem sicheren Wert von 610 liegt. Die Standards der NFPA (National Fire Protection Association der Vereinigten Staaten), wie NFPA 72 und NFPA 54, legen spezifische Anforderungen für die Erkennung brennbarer Gase und giftiger Gase 610 fest.
Medizinische Gesundheit und Krankheitsdiagnose
Der Medizin- und Gesundheitsbereich entwickelt sich zu einem der vielversprechendsten Anwendungsmärkte für Gassensoren. Die Ausatemluft des menschlichen Körpers enthält zahlreiche Biomarker, die auf den Gesundheitszustand schließen lassen. Durch die Erkennung dieser Biomarker können Krankheiten frühzeitig erkannt und kontinuierlich überwacht werden. Das tragbare Gerät zur Aceton-Atemdetektion, das von Dr. Wang Di und seinem Team am Super Perception Research Center des Zhejiang Laboratory entwickelt wurde, ist ein typisches Beispiel für diese Anwendung. Das Gerät nutzt eine kolorimetrische Technologie, um den Acetongehalt in der menschlichen Atemluft zu messen, indem es die Farbveränderung gassensitiver Materialien erkennt und so eine schnelle und schmerzlose Erkennung von Typ-1-Diabetes ermöglicht.
Bei niedrigem Insulinspiegel kann der Körper Glukose nicht in Energie umwandeln und baut stattdessen Fett ab. Aceton, eines der Nebenprodukte des Fettabbaus, wird über die Atmung ausgeschieden. Dr. Wang Di erläuterte: 1. Verglichen mit herkömmlichen Bluttests bietet diese Atemtestmethode bessere Diagnose- und Therapiemöglichkeiten. Darüber hinaus entwickelt das Team einen Aceton-Pflastersensor mit „täglicher Freisetzung“. Dieses kostengünstige tragbare Gerät kann rund um die Uhr automatisch die von der Haut abgegebene Acetonmenge messen. In Kombination mit künstlicher Intelligenz kann es künftig bei der Diagnose, Überwachung und Medikamentenempfehlung von Diabetes helfen.
Neben Diabetes bieten Gassensoren auch großes Potenzial bei der Behandlung chronischer Krankheiten und der Überwachung von Atemwegserkrankungen. Die Kohlendioxid-Konzentrationskurve ist eine wichtige Grundlage für die Beurteilung des Lungenventilationsstatus von Patienten, während die Konzentrationskurven bestimmter Gasmarker den Verlauf chronischer Krankheiten widerspiegeln. Traditionell war für die Interpretation dieser Daten medizinisches Personal erforderlich. Dank künstlicher Intelligenz können intelligente Gassensoren jedoch nicht nur Gase erkennen und Kurven zeichnen, sondern auch den Krankheitsgrad bestimmen, was den Druck auf das medizinische Personal erheblich reduziert.
Im Bereich tragbarer Gesundheitsgeräte steckt die Anwendung von Gassensoren noch in den Kinderschuhen, bietet aber vielversprechende Perspektiven. Forscher von Zhuhai Gree Electric Appliances wiesen darauf hin, dass Haushaltsgeräte zwar anders als medizinische Geräte über Funktionen zur Krankheitsdiagnose verfügen, Gassensor-Arrays im Bereich der täglichen Gesundheitsüberwachung zu Hause jedoch Vorteile wie niedrige Kosten, Nichtinvasivität und Miniaturisierung bieten. Daher dürften sie in Haushaltsgeräten wie Mundpflegegeräten und intelligenten Toiletten zunehmend als zusätzliche Überwachungs- und Echtzeitüberwachungslösungen zum Einsatz kommen. Mit der steigenden Nachfrage nach Gesundheitsversorgung zu Hause wird die Überwachung des menschlichen Gesundheitszustands durch Haushaltsgeräte zu einer wichtigen Richtung für die Entwicklung intelligenter Häuser werden.
Umweltüberwachung und Vermeidung und Kontrolle der Umweltverschmutzung
Die Umweltüberwachung ist einer der am häufigsten eingesetzten Bereiche für Gassensoren. Da der Umweltschutz weltweit immer wichtiger wird, steigt auch die Nachfrage nach der Überwachung verschiedener Schadstoffe in der Atmosphäre täglich. Gassensoren können schädliche Gase wie Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid und Ozon erkennen und sind somit ein wirksames Instrument zur Überwachung der Luftqualität.
Der elektrochemische Gassensor UGT-E4 der British Gas Shield Company ist ein repräsentatives Produkt im Bereich der Umweltüberwachung. Er misst den Schadstoffgehalt der Atmosphäre präzise und liefert Umweltschutzbehörden zeitnahe und präzise Daten. Durch die Integration moderner Informationstechnologie bietet dieser Sensor Funktionen wie Fernüberwachung, Datenupload und intelligente Alarmierung, was die Effizienz und den Komfort der Gasdetektion deutlich steigert. Nutzer können Veränderungen der Gaskonzentration jederzeit und überall einfach über ihr Mobiltelefon oder ihren Computer verfolgen und so eine wissenschaftliche Grundlage für Umweltmanagement und -politik schaffen.
Auch bei der Überwachung der Raumluftqualität spielen Gassensoren eine wichtige Rolle. Die Norm EN 45544 des Europäischen Komitees für Normung (EN) ist speziell für die Prüfung der Raumluftqualität konzipiert und deckt die Prüfanforderungen für verschiedene Schadgase ab. Gängige Kohlendioxid- und Formaldehydsensoren werden häufig in Wohnhäusern, Geschäftsgebäuden und öffentlichen Veranstaltungsorten eingesetzt und tragen zu einem gesünderen und angenehmeren Raumklima bei. Insbesondere während der COVID-19-Pandemie haben die Belüftung und Luftqualität in Innenräumen eine beispiellose Aufmerksamkeit erfahren, was die Entwicklung und Anwendung entsprechender Sensortechnologien weiter vorantreibt.
Die Überwachung von Kohlendioxidemissionen ist ein aufstrebender Anwendungsbereich für Gassensoren. Vor dem Hintergrund der globalen CO2-Neutralität ist die präzise Überwachung von Treibhausgasen wie Kohlendioxid besonders wichtig geworden. Infrarot-Kohlendioxidsensoren bieten in diesem Bereich dank ihrer hohen Präzision, guten Selektivität und langen Lebensdauer einzigartige Vorteile. Die „Richtlinien für den Bau intelligenter Sicherheitsrisikokontrollplattformen in Chemieparks“ in China führen die Überwachung brennbarer/giftiger Gase sowie die Analyse von Leckagequellen als obligatorische Bauinhalte auf, was die politische Bedeutung der Gasüberwachung im Umweltschutzbereich unterstreicht.
Smart Home und Lebensmittelsicherheit
Smart Home ist der vielversprechendste Markt für Gassensoren. Derzeit werden Gassensoren hauptsächlich in Haushaltsgeräten wie Luftreinigern und Klimaanlagen eingesetzt. Mit der Einführung von Sensor-Arrays und intelligenten Algorithmen erschließt sich ihr Anwendungspotenzial jedoch zunehmend auch in Bereichen wie Konservierung, Kochen und Gesundheitsüberwachung.
Im Hinblick auf die Lebensmittelkonservierung können Gassensoren unangenehme Gerüche überwachen, die während der Lagerung von Lebensmitteln freigesetzt werden, um deren Frische zu bestimmen. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, dass sowohl mit einem einzelnen Sensor zur Überwachung der Geruchskonzentration als auch mit einem Gassensor-Array in Kombination mit Mustererkennungsmethoden gute Ergebnisse erzielt werden. Aufgrund der Komplexität der tatsächlichen Kühlschranknutzung (z. B. Störungen durch das Öffnen und Schließen der Türen, das Starten und Stoppen des Kompressors und die interne Luftzirkulation usw.) sowie der gegenseitigen Beeinflussung verschiedener flüchtiger Gase aus Lebensmittelzutaten besteht jedoch noch Verbesserungsbedarf bei der Genauigkeit der Lebensmittelfrischebestimmung.
Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet für Gassensoren ist der Einsatz beim Kochen. Beim Kochen entstehen Hunderte von gasförmigen Verbindungen, darunter Partikel, Alkane, aromatische Verbindungen, Aldehyde, Ketone, Alkohole, Alkene und andere flüchtige organische Verbindungen. In einer solch komplexen Umgebung bieten Gassensor-Arrays deutliche Vorteile gegenüber Einzelsensoren. Studien zeigen, dass Gassensor-Arrays eingesetzt werden können, um den Garzustand von Lebensmitteln anhand des persönlichen Geschmacks zu bestimmen oder als zusätzliches Instrument zur Ernährungsüberwachung, um den Anwendern regelmäßig über seine Kochgewohnheiten zu informieren. Allerdings können Faktoren der Kochumgebung wie hohe Temperaturen, Kochdünste und Wasserdampf leicht zu einer „Vergiftung“ des Sensors führen, was ein technisches Problem darstellt, das gelöst werden muss.
Im Bereich der Lebensmittelsicherheit hat die Forschung von Wang Di und seinem Team den potenziellen Anwendungswert von Gassensoren aufgezeigt. Ziel ist es, „Dutzende von Gasen gleichzeitig mit einem kleinen Handy-Plug-in zu identifizieren“ und Informationen zur Lebensmittelsicherheit schnell verfügbar zu machen. Dieses hochintegrierte Array-Olfaktorikgerät kann flüchtige Bestandteile in Lebensmitteln erkennen, deren Frische und Sicherheit bestimmen und Verbrauchern Echtzeit-Referenzen liefern.
Tabelle: Hauptdetektionsobjekte und technische Eigenschaften von Gassensoren in verschiedenen Anwendungsbereichen
Anwendungsfelder, Haupterfassungsobjekte, häufig verwendete Sensortypen, technische Herausforderungen, Entwicklungstrends
Industrielle Sicherheit: Brennbare Gase, giftige Gase, katalytische Verbrennung, elektrochemische Verbrennung, Toleranz gegenüber rauen Umgebungsbedingungen, synchrone Überwachung mehrerer Gase, Leckagequellensuche
Medizin und Gesundheit Aceton, CO₂, VOCs Halbleitertyp, kolorimetrischer Typ Selektivität und Empfindlichkeit, tragbare und intelligente Diagnose
Langfristig stabile Netzbereitstellung und Echtzeit-Datenübertragung zur Umweltüberwachung von Luftschadstoffen und Treibhausgasen in infraroter und elektrochemischer Form
Smart Home Lebensmittel flüchtige Gase, Kochrauch Halbleitertyp, PID Anti-Interferenz-Fähigkeit
Bitte wenden Sie sich an Honde Technology Co., LTD.
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Veröffentlichungszeit: 11. Juni 2025