Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPMGase lassen sich mithilfe photoakustischer Spektroskopie (PAS) sehr genau und selektiv nachweisen. Das grundsätzliche Messprinzip wurde bereits 1880 von Alexander Graham Bell beschrieben: Bestrahlt man eine zu untersuchende Gasprobe in einer Messzelle mit einer gepulsten Lichtquelle, so absorbieren spezifische Gasmoleküle das Licht und die Gasprobe erwärmt sich. Die lokale Erhöhung der Temperatur führt nach der kinetischen Gastheorie zu einer Erhöhung des Drucks. Durch eine periodische Modulation der Intensität des einfallenden Lichtstrahls entstehen periodische Druckschwankungen, deren Frequenz mit der Modulationsfrequenz der Lichtquelle übereinstimmt. Diese akustischen Wellen, also das photoakustische Signal, können mit Schallwandlern (z. B. kommerziellen MEMS-Mikrofonen) detektiert werden. Die Signalamplitude korreliert mit der Stärke der Absorption und gibt somit Aufschluss über die Gaskonzentration in der Messzelle.
Photoakustische Gassensoren
Gase lassen sich mithilfe photoakustischer Spektroskopie (PAS) sehr genau und selektiv nachweisen.
© Fraunhofer IPM
Photoakustische Spektroskopie
Laserbasierte photoakustische Spektroskopie ermöglicht die hochempfindliche Detektion von Spurengasen im niedrigen ppb-Bereich.
© Fraunhofer IPM
Photoakustische Spektroskopie
Resonanten und nicht-resonante Messzelle
Die Geometrie der Messzelle spielt eine essenzielle Rolle für die Empfindlichkeit des photoakustischen Detektors. Der Detektor kann entweder resonant oder nicht-resonant betrieben werden. Beim resonanten Betrieb stimmt die Modulationsfrequenz der Lichtquelle mit der akustischen Resonanzfrequenz der Messzelle überein. Dadurch lässt sich das photoakustische Signal deutlich verstärken und somit die Detektionsempfindlichkeit steigern.
Beim nicht-resonanten Betrieb eines photoakustischen Detektors liegt die Modulationsfrequenz der Lichtquelle (typischerweise ein breitbandiger IR-Strahler) weit unterhalb der akustischen Resonanzfrequenz der Messzelle. Nicht-resonante Systeme können mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden und sind stabiler im Hinblick auf veränderlichen Druck und Temperatur während des Betriebs.
LED, Laser oder IR-Strahler als Lichtquelle
Je nach Zielgas und Anwendung werden neben unterschiedlichen Messzellen-Geometrien die Lichtquellen ausgewählt. Kostengünstige Messsysteme, die z. B. schnell-modulierbare LEDs als Lichtquelle verwenden, können Zielgaskonzentrationen bereits sehr empfindlich (1 ppm-Bereich) bestimmen. Werden Laser als Lichtquelle verwendet, verbessert sich die Selektivität und die Empfindlichkeit der Messsysteme erreicht häufig Werte im niedrigen ppb-Bereich.
Einige Beispiele:
Für ein kompaktes SO2-Messsystem, das zur Emissionsmessung im Abgaswäscher auf Schiffen verwendet wird, setzt Fraunhofer IPM auf eine resonante Messzelle mit einer UV-LED als Lichtquelle. So wird die hohe geforderte Auflösung von 1 ppm im Messbereich bis 50 ppm SO2 erreicht.
Bei einem miniaturisierten photoakustischen CO2-Sensor für die Detektion der Raumluftqualität wurde eine nicht-resonante Messzelle mit einem breitbandigen IR-Strahler und einem MEMS-Mikrofon kombiniert. Dies ermöglicht einen besonders kleinen Sensor mit einer Sensitivität von 50 ppm und einem weiten Messbereich bis 5000 ppm CO2.
Für die Detektion von Gasleckagen – zum Beispiel von gasführenden Leitungen in der Erde –wurde ein laserbasiertes PA-Modul mit einer resonanten Messzelle entwickelt. Der Betrieb der Messzelle wird aktiv stabilisiert. Es werden Konzentrationen von Methan (CH4) und Ethan (C2H6) mit jeweils einer Auflösung von wenigen ppb erreicht.
Publikationen »Photoakustische Spektroskopie«
| Jahr Year | Titel/Autor:in Title/Author | Publikationstyp Publication Type |
|---|---|---|
| 2025 | Design of a Refrigerant Leak Sensor based on the Photoacoustic Dual-Chamber Detection Method Yassine, Hassan; Weber, Christian; El-Safoury, Mahmoud; Brugger, Nicolas; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen |
Konferenzbeitrag Conference Paper |
| 2025 | Optimizing Analog Front End Architectures for Enhanced SNR in Photoacoustic Imaging Kindorf, Sebastian; Weber, Christian; Bierer, Benedikt; Wöllenstein, Jürgen |
Konferenzbeitrag Conference Paper |
| 2024 | Miniaturized Photoacoustic Sensors for the Detection of Trace Gases in Ambient Air Weber, Christian |
Dissertation Doctoral Thesis |
| 2024 | Miniaturisierter CO2-Sensor mit wafer-gebondetem photoakustischen MEMS-Detektor Gassner, Simon |
Dissertation Doctoral Thesis |
| 2024 | Photoakustische Detektion von BTEX-Komponenten im UV-Bereich Hamburger, Miguel; Herbst, Johannes; Strahl, Thomas; Brunner, Raimund; Weber, Christian; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen; Kondziella, Ralph |
Konferenzbeitrag Conference Paper |
| 2024 | Miniaturized two-chamber photoacoustic CO2 sensor with a wafer-bonded MEMS (micro-electro-mechanical systems) detector Gaßner, Simon; Essing, Simon; Tumpold, David; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2024 | Towards a Miniaturized Photoacoustic Sensor for Transcutaneous CO2 Monitoring El-Safoury, Mahmoud; Weber, Christian; Yassine, Hassan; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2024 | Improving the performance of artificial neural networks trained on synthetic data in gas spectroscopy - a study on two sensing approaches Goldschmidt, Jens; Moser, Elisabeth; Nitzsche, Leonard; Bierl, Rudolf; Wöllenstein, Jürgen |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2024 | Detection of SO2F2 Using a Photoacoustic Two-Chamber Approach Yassine, Hassan; Weber, Christian; Eberhardt, Andre; El-Safoury, Mahmoud; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2023 | How to Turn a MEMS Microphone Into a Photoacoustic Sensor: An Experimental Study Strahl, Thomas; Steinebrunner, Jonas; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin |
Konferenzbeitrag Conference Paper |
| 2023 | Resonant photoacoustic cells for laser-based methane detection Schmitt, Katrin; Sendelbach, Mara; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen; Strahl, Thomas |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2023 | Evaluation of Photoacoustic Detectors for Methyl Bromide Sensing Yassine, Hassan; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin |
Konferenzbeitrag Conference Paper |
| 2023 | Photoacoustic methane detection inside a MEMS microphone Strahl, Thomas; Steinebrunner, Jonas; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2023 | Miniaturized SMD-Reflow-Capable Photoacoustic CO2-Sensor Using a Dual-Chamber Approach Gaßner, Simon; Essing, Simon; Tumpold, David; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen |
Konferenzbeitrag Conference Paper |
| 2023 | Novel approach for efficient resonance tracking in photoacoustic gas sensor systems based on a light-induced wall signal Weber, Christian; Kapp, Johannes; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2023 | Towards a Miniaturized Photoacoustic Detector for the Infrared Spectroscopic Analysis of SO2F2 and Refrigerants Yassine, Hassan; Weber, Christian; Brugger, Nicolas; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2022 | Verfahren und Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines Zielgases im Blut eines Lebewesens Schmitt, Katrin; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen; Yassine, Hassan |
Patent |
| 2022 | Fluidmesszelle für einen photoakustischen Sensor Weber, Christian; Kapp, Johannes; Schmitt, Katrin |
Patent |
| 2022 | Gasmesszelle für einen photoakustischen Sensor und Verfahren zum Erfassen einer Eigenschaft eines Probengases Weber, Christian; Kapp, Johannes; Schmitt, Katrin; Strahl, Thomas; Sendelbach, Mara |
Patent |
| 2022 | LED-basierter, miniaturisierter photoakustischer CO2-Sensor zur Umgebungsluftüberwachung Weber, Christian; Yassine, Hassan; Eberhardt, Andre; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen |
Konferenzbeitrag Conference Paper |
| 2022 | Miniaturisierter transkutaner Sensor für die Überwachung der CO2-Blutgaswerte El-Safoury, Mahmoud; Weber, Christian; Yassine, Hassan; Wöllenstein, Jürgen; Schmitt, Katrin |
Konferenzbeitrag Conference Paper |
| 2022 | Resonante photoakustische Zellen zum laserbasierten Methannachweis Schmitt, Katrin; Sendelbach, Mara; Strahl, Thomas; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen |
Konferenzbeitrag Conference Paper |
| 2022 | Anodically Bonded Photoacoustic Transducer: An Approach towards Wafer-Level Optical Gas Sensors Gassner, Simon; Schaller, Rainer; Eberl, Matthias; Koblinski, Carsten von; Essing, Simon; Ghaderi, Mohammadamir; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2021 | Comparison of laser-based photoacoustic and optical detection of methane Strahl, Thomas; Herbst, Johannes; Maier, Eric; Rademacher, Sven; Weber, Christian; Pernau, Hans-Fridtjof; Lambrecht, Armin; Wöllenstein, Jürgen |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2021 | On-Board Monitoring of SO2 Ship Emissions Using Resonant Photoacoustic Gas Detection in the UV Range El-Safoury, Mahmoud; Dufner, Miguel; Weber, Christian; Schmitt, Katrin; Pernau, Hans-Fridtjof; Willing, Bert; Wöllenstein, Jürgen |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2020 | Gassensor-basiertes Analysesystem zur Bestimmung des Reinheitsgrades von Kältemitteln (CONTECT-R). Schlussbericht El-Safoury, Mahmoud; Weber, Christian |
Bericht Report |
| 2020 | Smart Technologies for Indoor Environmental Quality Control Ortiz Pérez, Alvaro |
Dissertation Doctoral Thesis |
| 2020 | The Optimization of a Photoacoustic Refrigerant Sensor System Using a Three-Chamber Concept El-Safoury, Mahmoud; Weber, Christian; Wöllenstein, Jürgen; Kiesewetter, Olaf |
Konferenzbeitrag Conference Paper |
| 2020 | Miniaturized photoacoustic detection of organofluorine-based refrigerants El-Safoury, Mahmoud; Weber, Christian; Kiesewetter, Olaf; Hespos, Yvonne; Eberhardt, André; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen |
Zeitschriftenaufsatz Journal Article |
| 2020 | Micro PA detector: Pushing the limits of mid IR photoacoustic spectroscopy integrated on silicon Coutard, Jean-Guillaume; Berthelot, Audrey; Glière, Alain; Lhermet, Hélène; Scherer, Benjamin; Strahl, Thomas; Teulle, Alexandre; Verdot, Thierry |
Konferenzbeitrag Conference Paper |