Miniaturisierter CO₂-Sensor mit wafer-gebondetem photoakustischen MEMS-Detektor

Das wachsende Bewusstsein für die Qualität der Innenraumluft und ihrer Auswirkungen auf die Gesundheit führt zu einer steigenden Nachfrage nach Lösungen zur Regelung und Überwachung der Raumluftqualität. Eine Schlüsselrolle spielen dabei CO₂-Sensoren, die die zuverlässige Quantifizierung der CO₂-Konzentration in der Luft ermöglichen. Bisherige Sensorlösungen sind jedoch nicht kostengünstig genug, um in großen Stückzahlen sowohl im öffentlichen Raum als auch in Wohngebäuden eingesetzt zu werden.

In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur Realisierung eines kleinen, kostengünstigen und massentauglichen CO₂-Sensors auf Basis des Zweikammeransatzes der photoakustischen Spektroskopie vorgestellt. Kernelement des beschriebenen Sensors ist ein wafer-gebondeter photoakustischer Detektor auf Basis eines MEMS-Mikrofons. Die Dissertation befasst sich mit den Anforderungen des Konzeptes an die Einzelkomponenten und deren Charakterisierung. Für die Vermessung und Bewertung der Teilsysteme wurden spezifische Testmethoden entwickelt und angewandt. Zur Vermessung des kompletten Sensorsystems wurde eine Ansteuer- und Auswerteelektronik entworfen und aufgebaut, mit deren Hilfe ein Prototyp des Sensors charakterisiert wurde.

Der Prototyp weist eine Ansprechzeit von 53 s auf und kann CO₂ bis zu einer Nachweisgrenze von 52 ppm detektieren. Trotz des noch bestehenden Optimierungspotentials der Fertigungsprozesse bietet der vorgestellte Aufbau eine vielversprechende Grundlage für neue Sensoren für den großflächigen Einsatz in der Innenraumluftüberwachung.