Mit der rasanten Entwicklung von Technologien wie dem Internet der Dinge und künstlicher Intelligenz eröffnen sich Gassensoren, die als wichtige Sensoren und „elektrische Sinne“ gelten, beispiellose Entwicklungsmöglichkeiten. Von der anfänglichen Überwachung toxischer und schädlicher Industriegase 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 einer rein funktionalen Technologie hin zu intelligenten, miniaturisierten und multidimensionalen Systemen. Dieser Artikel analysiert umfassend die technischen Merkmale, die neuesten Forschungsergebnisse und den globalen Anwendungsstand von Gassensoren, mit besonderem Fokus auf die Entwicklungstrends im Bereich der Gasüberwachung in Ländern wie China und den USA.
Technische Merkmale und Entwicklungstrends von Gassensoren
Als Wandler, der den Volumenanteil eines bestimmten Gases in das entsprechende elektrische Signal umwandelt, ist der Gassensor zu einer unverzichtbaren und wichtigen Komponente moderner Sensortechnik geworden. Diese Geräte verarbeiten Gasproben mithilfe von Detektionsköpfen. Typische Schritte hierfür sind das Herausfiltern von Verunreinigungen und Störgasen, die Trocknung oder Kühlung und schließlich die Umwandlung der Gaskonzentrationsinformation in messbare elektrische Signale. Derzeit sind verschiedene Arten von Gassensoren auf dem Markt erhältlich, darunter Halbleiter-, elektrochemische, katalytische Verbrennungs-, Infrarot- und Photoionisations-Gassensoren (PID). Jeder Sensortyp besitzt spezifische Eigenschaften und findet breite Anwendung in zivilen, industriellen und umwelttechnischen Bereichen.
Stabilität und Empfindlichkeit sind die beiden wichtigsten Indikatoren zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Gassensoren. Stabilität bezeichnet die Beständigkeit des grundlegenden Sensorverhaltens über die gesamte Betriebsdauer und hängt von der Nullpunktdrift und der Intervalldrift ab. Idealerweise sollte die jährliche Nullpunktdrift bei hochwertigen Sensoren unter Dauerbetriebsbedingungen unter 10 % liegen. Empfindlichkeit beschreibt das Verhältnis der Änderung des Sensorausgangssignals zur Änderung des gemessenen Eingangssignals. Die Empfindlichkeit verschiedener Sensortypen variiert erheblich, hauptsächlich abhängig von den verwendeten technischen Prinzipien und Materialien. Darüber hinaus sind Selektivität (d. h. Querempfindlichkeit) und Korrosionsbeständigkeit wichtige Parameter zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Gassensoren. Erstere bestimmt die Erkennungsfähigkeit des Sensors in einem Gasgemisch, während letztere die Toleranz des Sensors gegenüber hochkonzentrierten Zielgasen beschreibt.
Die aktuelle Entwicklung der Gassensortechnologie weist mehrere deutliche Trends auf. Zunächst einmal wird die Forschung und Entwicklung neuer Materialien und Verfahren kontinuierlich intensiviert. Traditionelle Metalloxid-Halbleitermaterialien wie ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ usw. sind ausgereift. Forscher dotieren, modifizieren und oberflächenmodifizieren bestehende gassensitive Materialien mittels chemischer Modifizierungsverfahren und verbessern gleichzeitig den Filmbildungsprozess, um die Stabilität und Selektivität der Sensoren zu erhöhen. Parallel dazu wird die Entwicklung neuer Materialien wie Komposit- und Hybrid-Halbleiter-Gassensoren sowie Polymer-Gassensoren aktiv vorangetrieben. Diese Materialien weisen eine höhere Sensitivität, Selektivität und Stabilität gegenüber verschiedenen Gasen auf.
Die Intelligenz von Sensoren ist ein weiterer wichtiger Entwicklungszweig. Dank des erfolgreichen Einsatzes neuer Materialtechnologien wie Nanotechnologie und Dünnschichttechnologie werden Gassensoren zunehmend integrierter und intelligenter. Durch die umfassende Nutzung multidisziplinärer Technologien wie Mikromechanik, Mikroelektronik, Computertechnik, Signalverarbeitung, Sensorik und Fehlerdiagnose entwickeln Forscher vollautomatische, digitale, intelligente Gassensoren, die mehrere Gase gleichzeitig überwachen können. Ein typisches Beispiel für diesen Trend ist ein kürzlich von der Forschungsgruppe um Privatdozent Yi Jianxin am Staatlichen Schlüssellabor für Brandforschung der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas entwickelter chemischer Widerstands-Potenzial-Sensor. Dieser Sensor ermöglicht die dreidimensionale Detektion und präzise Identifizierung mehrerer Gase und Brandmerkmale mit nur einem Gerät.
Arrayisierung und Algorithmenoptimierung rücken zunehmend in den Fokus. Aufgrund des breiten Ansprechverhaltens einzelner Gassensoren ist deren Verhalten bei gleichzeitigem Vorhandensein mehrerer Gase störungsanfällig. Die Verwendung mehrerer Gassensoren in einem Array hat sich als effektive Lösung zur Verbesserung der Erkennungsfähigkeit erwiesen. Durch die Erweiterung des Erfassungsbereichs des Gases kann das Sensorarray mehr Signale erfassen, was die Auswertung weiterer Parameter und somit die Beurteilungs- und Erkennungsfähigkeit verbessert. Mit zunehmender Anzahl der Sensoren im Array steigt jedoch auch die Komplexität der Datenverarbeitung. Daher ist die Optimierung des Sensorarrays von besonderer Bedeutung. Methoden wie Korrelationskoeffizient und Clusteranalyse werden häufig zur Array-Optimierung eingesetzt, während Algorithmen zur Gaserkennung wie die Hauptkomponentenanalyse (PCA) und künstliche neuronale Netze (KNN) die Mustererkennungsfähigkeit von Sensoren deutlich verbessert haben.
Tabelle: Leistungsvergleich der wichtigsten Gassensortypen
Sensortyp, Funktionsprinzip, Vor- und Nachteile, typische Lebensdauer
Die Gasadsorption an Halbleitern ist kostengünstig bei der Änderung des Halbleiterwiderstands, reagiert schnell, weist jedoch eine geringe Selektivität auf und wird über einen Zeitraum von 2-3 Jahren stark von Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflusst.
Elektrochemisch erzeugt Gas durch Redoxreaktionen Strom, der sich durch gute Selektivität und hohe Empfindlichkeit auszeichnet. Allerdings ist der Elektrolyt verschleißanfällig und hat eine Lebensdauer von 1–2 Jahren (bei flüssigen Elektrolyten).
Bei der katalytischen Verbrennung von brennbaren Gasen kommt es zu Temperaturänderungen. Sie ist speziell für die Detektion brennbarer Gase konzipiert und nur für etwa drei Jahre anwendbar.
Infrarotgase absorbieren Infrarotlicht bestimmter Wellenlängen mit hoher Genauigkeit, sind nicht vergiftend, haben aber hohe Kosten und ein relativ großes Volumen für 5 bis 10 Jahre.
Die ultraviolette Photoionisation (PID) zur Detektion von VOC-Gasmolekülen weist eine hohe Empfindlichkeit auf und kann die verschiedenen Verbindungstypen über einen Zeitraum von 3 bis 5 Jahren nicht unterscheiden.
Es ist anzumerken, dass die Gassensortechnologie zwar beachtliche Fortschritte gemacht hat, aber weiterhin mit einigen Herausforderungen konfrontiert ist. Die Lebensdauer von Sensoren schränkt ihren Einsatz in bestimmten Bereichen ein. So beträgt die Lebensdauer von Halbleitersensoren etwa zwei bis drei Jahre, die von elektrochemischen Gassensoren aufgrund von Elektrolytverlusten etwa ein bis zwei Jahre, während die von Festkörper-Elektrolyt-Sensoren bis zu fünf Jahre erreichen kann. Darüber hinaus sind Driftprobleme (Veränderungen der Sensorantwort im Laufe der Zeit) und Konsistenzprobleme (Leistungsunterschiede zwischen Sensoren derselben Charge) wichtige Faktoren, die die breite Anwendung von Gassensoren einschränken. Um diesen Problemen zu begegnen, arbeiten Forscher einerseits an der Verbesserung gassensitiver Materialien und Herstellungsverfahren und andererseits daran, den Einfluss der Sensordrift auf die Messergebnisse durch die Entwicklung fortschrittlicher Datenverarbeitungsalgorithmen zu kompensieren oder zu unterdrücken.
Die vielfältigen Anwendungsszenarien von Gassensoren
Die Gassensorik hat alle Bereiche des gesellschaftlichen Lebens durchdrungen. Ihre Anwendungsgebiete gehen längst über die traditionelle industrielle Sicherheitsüberwachung hinaus und dehnen sich rasant auf Bereiche wie Medizin, Umweltüberwachung, Smart Home und Lebensmittelsicherheit aus. Diese Diversifizierung der Anwendungen spiegelt nicht nur die Möglichkeiten des technologischen Fortschritts wider, sondern auch den wachsenden gesellschaftlichen Bedarf an Gasdetektion.
Industriesicherheit und Überwachung gefährlicher Gase
Im Bereich der Arbeitssicherheit spielen Gassensoren eine unverzichtbare Rolle, insbesondere in risikoreichen Branchen wie der chemischen Industrie, der Erdölindustrie und dem Bergbau. Chinas „14. Fünfjahresplan für die sichere Produktion gefährlicher Chemikalien“ verpflichtet Chemieparks ausdrücklich zur Einrichtung umfassender Überwachungs- und Frühwarnsysteme für toxische und schädliche Gase und fördert den Aufbau intelligenter Risikokontrollplattformen. Der „Aktionsplan ‚Industrielles Internet plus Arbeitssicherheit‘“ ermutigt Chemieparks zudem, IoT-Sensoren und KI-Analyseplattformen einzusetzen, um eine Echtzeitüberwachung und koordinierte Reaktion auf Risiken wie Gaslecks zu ermöglichen. Diese politischen Vorgaben haben die Anwendung von Gassensoren im Bereich der Arbeitssicherheit maßgeblich vorangetrieben.
Moderne industrielle Gasüberwachungssysteme haben verschiedene technische Ansätze entwickelt. Die Gaswolken-Bildgebungstechnologie visualisiert Gaslecks, indem sie Gasmassen als Veränderungen der Graustufenwerte in den Bildpixeln darstellt. Ihre Detektionsfähigkeit hängt von Faktoren wie der Konzentration und dem Volumen des ausgetretenen Gases, der Hintergrundtemperaturdifferenz und der Überwachungsdistanz ab. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) ermöglicht die qualitative und semiquantitative Überwachung von über 500 Gasarten, darunter anorganische, organische, toxische und schädliche Gase, und kann bis zu 30 Gasarten gleichzeitig analysieren. Sie eignet sich für die komplexen Anforderungen der Gasüberwachung in Chemieparks. In Kombination mit herkömmlichen Gassensoren bilden diese fortschrittlichen Technologien ein mehrstufiges Netzwerk zur Überwachung der industriellen Gassicherheit.
Auf der konkreten Implementierungsebene müssen industrielle Gasüberwachungssysteme eine Reihe nationaler und internationaler Normen erfüllen. Chinas „Designstandard für die Erkennung und Alarmierung brennbarer und giftiger Gase in der petrochemischen Industrie“ GB 50493-2019 und die „Allgemeine technische Spezifikation für die Sicherheitsüberwachung wichtiger Gefahrenquellen gefährlicher Chemikalien“ AQ 3035-2010 legen die technischen Spezifikationen für die industrielle Gasüberwachung fest. International hat die OSHA (Occupational Safety and Health Administration der Vereinigten Staaten) eine Reihe von Normen zur Gasdetektion entwickelt, die eine Gasmessung vor Arbeiten in geschlossenen Räumen vorschreiben und sicherstellen, dass die Konzentration schädlicher Gase in der Luft unter dem zulässigen Grenzwert liegt. Die Normen der NFPA (National Fire Protection Association der Vereinigten Staaten), wie beispielsweise NFPA 72 und NFPA 54, enthalten spezifische Anforderungen für die Erkennung brennbarer und giftiger Gase.
Medizinische Gesundheits- und Krankheitsdiagnose
Der Medizin- und Gesundheitsbereich entwickelt sich zu einem der vielversprechendsten Anwendungsgebiete für Gassensoren. Die Ausatemluft enthält zahlreiche Biomarker, die mit dem Gesundheitszustand in Zusammenhang stehen. Durch den Nachweis dieser Biomarker können Krankheiten frühzeitig erkannt und kontinuierlich überwacht werden. Das von Dr. Wang Dis Team am Super Perception Research Center des Zhejiang Laboratory entwickelte tragbare Gerät zur Acetonmessung in der Ausatemluft ist ein typisches Beispiel für diese Anwendung. Es nutzt ein kolorimetrisches Verfahren, um den Acetongehalt in der Ausatemluft durch die Erfassung der Farbänderung gassensitiver Materialien zu messen und so eine schnelle und schmerzfreie Diagnose von Typ-1-Diabetes zu ermöglichen.
Bei niedrigem Insulinspiegel kann der Körper Glukose nicht in Energie umwandeln und baut stattdessen Fett ab. Aceton, eines der Abbauprodukte des Fetts, wird über die Atmung ausgeschieden. Dr. Wang Di erklärte: „Im Vergleich zu herkömmlichen Bluttests bietet diese Atemtestmethode eine bessere Diagnose- und Therapieerfahrung.“ Darüber hinaus entwickelt das Team einen Aceton-Sensor mit „täglicher Freisetzung“ in Pflasterform. Dieses kostengünstige, tragbare Gerät misst automatisch rund um die Uhr die von der Haut abgegebene Acetonmenge. In Zukunft kann es in Kombination mit künstlicher Intelligenz die Diagnose, Überwachung und Medikamenteneinstellung bei Diabetes unterstützen.
Abgesehen von Diabetes bergen Gassensoren auch großes Potenzial für das Management chronischer Erkrankungen und die Überwachung von Atemwegserkrankungen. Die Kohlendioxidkonzentrationskurve ist eine wichtige Grundlage für die Beurteilung des Lungenventilationsstatus von Patienten, während die Konzentrationskurven bestimmter Gasmarker den Verlauf chronischer Erkrankungen widerspiegeln. Traditionell erforderte die Interpretation dieser Daten die Mitwirkung von medizinischem Fachpersonal. Dank künstlicher Intelligenz können intelligente Gassensoren jedoch nicht nur Gase messen und Kurven erstellen, sondern auch den Schweregrad der Erkrankung bestimmen und so die Belastung des medizinischen Personals erheblich reduzieren.
Im Bereich tragbarer Gesundheitsgeräte steckt die Anwendung von Gassensoren zwar noch in den Kinderschuhen, bietet aber vielversprechende Perspektiven. Forscher von Zhuhai Gree Electric Appliances wiesen darauf hin, dass sich Haushaltsgeräte zwar von medizinischen Geräten mit Diagnosefunktionen unterscheiden, Gassensor-Arrays im Bereich der täglichen Gesundheitsüberwachung zu Hause jedoch Vorteile wie geringe Kosten, nicht-invasive Messung und Miniaturisierung bieten. Daher ist zu erwarten, dass sie in Zukunft vermehrt in Haushaltsgeräten wie Mundpflegegeräten und intelligenten Toiletten als ergänzende und Echtzeit-Überwachungslösungen zum Einsatz kommen werden. Angesichts der steigenden Nachfrage nach Gesundheitsfunktionen zu Hause wird die Überwachung des Gesundheitszustands mithilfe von Haushaltsgeräten zu einem wichtigen Entwicklungsfeld für Smart Homes.
Umweltüberwachung und Schadstoffvermeidung und -bekämpfung
Die Umweltüberwachung ist eines der Anwendungsgebiete von Gassensoren. Angesichts des weltweit zunehmenden Fokus auf Umweltschutz steigt auch der Bedarf an der Überwachung verschiedener Schadstoffe in der Atmosphäre stetig. Gassensoren können schädliche Gase wie Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid und Ozon nachweisen und sind somit ein effektives Instrument zur Überwachung der Luftqualität.
Der elektrochemische Gassensor UGT-E4 der British Gas Shield Company ist ein Vorzeigeprodukt im Bereich der Umweltüberwachung. Er misst präzise die Schadstoffkonzentration in der Atmosphäre und liefert Umweltschutzbehörden zeitnah genaue Daten. Dank der Integration moderner Informationstechnologie ermöglicht der Sensor Funktionen wie Fernüberwachung, Daten-Upload und intelligente Alarmierung und steigert so die Effizienz und den Komfort der Gasmessung erheblich. Nutzer können die Veränderungen der Gaskonzentration jederzeit und überall einfach per Smartphone oder Computer verfolgen und erhalten damit eine wissenschaftliche Grundlage für Umweltmanagement und politische Entscheidungen.
Gassensoren spielen auch bei der Überwachung der Raumluftqualität eine wichtige Rolle. Die vom Europäischen Komitee für Normung (EN) herausgegebene Norm EN 45544 befasst sich speziell mit der Prüfung der Raumluftqualität und legt die Prüfanforderungen für verschiedene Schadgase fest. Gängige Kohlendioxid- und Formaldehydsensoren sind weit verbreitet und werden in Wohnhäusern, Gewerbegebäuden und öffentlichen Einrichtungen eingesetzt, um ein gesünderes und komfortableres Raumklima zu schaffen. Insbesondere während der COVID-19-Pandemie haben die Raumlüftung und die Raumluftqualität eine beispiellose Aufmerksamkeit erfahren, was die Entwicklung und Anwendung entsprechender Sensortechnologien weiter vorangetrieben hat.
Die Überwachung von Kohlenstoffemissionen ist ein aufstrebendes Anwendungsgebiet für Gassensoren. Angesichts der globalen Klimaneutralität ist die präzise Überwachung von Treibhausgasen wie Kohlendioxid besonders wichtig geworden. Infrarot-Kohlendioxidsensoren bieten in diesem Bereich aufgrund ihrer hohen Präzision, guten Selektivität und langen Lebensdauer einzigartige Vorteile. Die chinesischen „Richtlinien für den Aufbau intelligenter Sicherheitsrisikokontrollplattformen in Chemieparks“ führen die Überwachung brennbarer/toxischer Gase und die Leckageortung als obligatorische Baubestandteile auf. Dies unterstreicht die Bedeutung der Gasüberwachung für den Umweltschutz auf politischer Ebene.
Smart Home und Lebensmittelsicherheit
Smart Home ist der vielversprechendste Markt für Verbraucheranwendungen von Gassensoren. Derzeit werden Gassensoren hauptsächlich in Haushaltsgeräten wie Luftreinigern und Klimaanlagen eingesetzt. Mit der Einführung von Sensorarrays und intelligenten Algorithmen wird ihr Anwendungspotenzial in Bereichen wie Konservierung, Kochen und Gesundheitsüberwachung jedoch zunehmend erschlossen.
Im Bereich der Lebensmittelkonservierung können Gassensoren die von Lebensmitteln während der Lagerung freigesetzten unangenehmen Gerüche überwachen und so deren Frische bestimmen. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, dass sowohl die Verwendung eines einzelnen Sensors zur Überwachung der Geruchskonzentration als auch der Einsatz eines Gassensor-Arrays in Kombination mit Mustererkennungsverfahren gute Ergebnisse bei der Bestimmung der Lebensmittelfrische liefert. Aufgrund der Komplexität realer Kühlschranknutzungsszenarien (z. B. Störungen durch das Öffnen und Schließen der Tür, das Ein- und Ausschalten des Kompressors und die interne Luftzirkulation) sowie der gegenseitigen Beeinflussung verschiedener flüchtiger Gase aus Lebensmittelzutaten besteht jedoch weiterhin Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Genauigkeit der Frischebestimmung.
Kochanwendungen stellen ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet für Gassensoren dar. Beim Kochen entstehen Hunderte von gasförmigen Verbindungen, darunter Partikel, Alkane, Aromaten, Aldehyde, Ketone, Alkohole, Alkene und andere flüchtige organische Verbindungen. In solch einer komplexen Umgebung bieten Gassensor-Arrays deutliche Vorteile gegenüber Einzelsensoren. Studien zeigen, dass Gassensor-Arrays zur Bestimmung des Garzustands von Lebensmitteln anhand des persönlichen Geschmacks oder als ergänzendes Instrument zur Ernährungsüberwachung eingesetzt werden können, um Nutzern regelmäßig Kochgewohnheiten zu dokumentieren. Allerdings können Faktoren der Kochumgebung wie hohe Temperaturen, Kochdünste und Wasserdampf die Sensoren leicht schädigen – ein technisches Problem, das gelöst werden muss.
Im Bereich der Lebensmittelsicherheit hat das Forschungsteam um Wang Di das Anwendungspotenzial von Gassensoren aufgezeigt. Ihr Ziel ist es, „mit einem kleinen Handy-Adapter gleichzeitig Dutzende von Gasen zu identifizieren“ und Informationen zur Lebensmittelsicherheit leicht zugänglich zu machen. Dieses hochintegrierte olfaktorische Array-Gerät kann flüchtige Bestandteile in Lebensmitteln nachweisen, deren Frische und Sicherheit bestimmen und Verbrauchern Echtzeitinformationen liefern.
Tabelle: Wichtigste Detektionsobjekte und technische Merkmale von Gassensoren in verschiedenen Anwendungsbereichen
Anwendungsgebiete, Haupterkennungsobjekte, gängige Sensortypen, technische Herausforderungen, Entwicklungstrends
Industrielle Sicherheit, brennbare Gase, toxische Gase, katalytische Verbrennung, elektrochemische Verbrennung, Toleranz gegenüber rauen Umgebungsbedingungen, synchrone Mehrgasüberwachung, Leckagequellenortung
Medizinische und gesundheitliche Anwendungen: Aceton, CO₂, VOCs, Halbleiter- und kolorimetrische Selektivität und Sensitivität, tragbare und intelligente Diagnose
Langfristige Stabilität des Netzausbaus und Echtzeit-Datenübertragung zur Umweltüberwachung von Luftschadstoffen und Treibhausgasen in Infrarot- und elektrochemischen Formen
Intelligente Lebensmittelüberwachung mit flüchtigen Gasen, Kochdämpfen und PID-Regler (Unterdrückung von Störungen)
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Veröffentlichungsdatum: 11. Juni 2025