CO2-Sensor miniaturisiert: Mit Smart Nose gegen schlechte Luftqualität

Infineon Technologies hat eine disruptive CO2-Sensortechnologie auf Basis der photoakustischen Spektroskopie (PAS) entwickelt.

Infineon Bildquelle: © Infineon Technologies

Basierend auf der photoakustischen Spektroskopie umfasst das Spektrum für die CO2-Messung des 13 × 12 × 6 mm3 großen Xensiv PAS210 einen Bereich von 0 bis 10.000 ppm mit einer Genauigkeit von ±30 ppm oder ±3 Prozent des Messwertes.

Diese erlaubt es, CO2-Sensoren gegenüber der etablierten NDIR-Technologie (Non-Dispersive InfraRed) volumenmäßig um mehr als 75 Prozent zu reduzieren, und den Preis in etwa zu halbieren. Infineon nutzt für sein Verfahren ein hochempfindliches MEMS-Mikrofon als Detektor; dies ermöglicht die radikale Verkleinerung des CO2-Sensors. Auf einer 13 mm × 12 mm großen Leiterplatte integriert Infineons CO2-Sensor Xensiv PAS210 einen photoakustischen Wandler mit Detektor, Infrarotquelle und optischem Filter. PAS210 umfasst auch einen Mikrocontroller für die Signalverarbeitung und Algorithmen sowie einen MOSFET zum Betreiben der Infrarotquelle. Alle verwendeten Komponenten unterliegen den Infineon-Qualitätsstandards. Als MEMS-Mikrofon wird ein IM69D130 von Infineon mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 69 dB eingesetzt.

Die Funktionsweise der photoakustischen Spektroskopie basiert im Wesentlichen darauf, dass durch Infrarotlicht der Wellenlänge 4,2 µm CO2-Moleküle in der Absorberkammer des Sensors angeregt werden. Dies führt zu einer lokalen Veränderung der Temperatur und des Drucks in der Absorberkammer. Der integrierte Mikrocontroller des PAS210 wandelt den MEMS-Mikrofonausgang in einen ppm-Wert um, der über drei Schnittstellen verfügbar ist: das serielle I2C-, UART- oder PWM-Interface. Dabei umfasst das Spektrum für die CO2-Messung einen Bereich von 0 bis 10.000 ppm mit einer Genauigkeit von ±30 ppm oder ±3 Prozent des Messwertes. Im gepulsten Modus ist der CO2-Sensor Xensiv PAS210 auf eine Lebensdauer von zehn Jahren ausgelegt.

Wie Frank Bialas, Director Marketing RF & Sensors bei Power Management & Multimarkets bei Infineon Technologies, erläutert, ist der miniaturisierte CO2-Sensor durch eine Vielzahl von Patenten geschützt. Begonnen haben die Arbeiten an dem CO2-Sensor nach seinen Angaben 2016. Zusammen mit Forschungseinrichtungen wie dem Fraunhofer-Institut wurden zuerst die Möglichkeiten einer solchen Technologie ausgelotet.

Bialas_Frank19 Infineon Bildquelle: © Markt&Technik

Frank Bialas, Infineon Technologies: »Für den Einsatz im Smartphone ist der neue CO2-Sensor noch etwas zu groß. Wir gehen davon aus, dass eine weitere Verringerung des Volumens um 50 Prozent einen Smartphone-Einsatz in drei bis fünf Jahren möglich machen wird.«

Die Entwicklung des CO2-Sensors erfolgte dann in Infineons Campeon in Neubiberg. Mit entscheidend für die Realisierung des kompakten CO2-Sensors war nach seinen Worten Infineons langjährige Erfahrung in der Akustiktechnologie und verwandten Anwendungen. Das Unternehmen hat bisher beispielsweise mehr als 2 Milliarden MEMS-Mikrofone verkauft. Das Prinzip der photoakustischen Spektroskopie lässt sich nach den Worten von Bialas auch auf die Detektion anderer Gase anwenden. An entsprechenden Sensorversionen wird bereits gearbeitet.

Aktuell laufen Tests mit Prototypen bei Schlüsselkunden von Infineon. Engineering-Samples werden in der ersten Jahreshälfte 2020 zur Verfügung stehen, der Ramp-up der Produktion ist für die zweite Jahreshälfte 2020 vorgesehen. Mit Abmessungen von 13 × 12 × 6 mm3 empfiehlt sich der CO2-Sensor vor allem für die Überwachung der CO2-Konzentration in Innenräumen, etwa in Form von Klimaanlagensteuerung oder Luftreinigern. »Für eine Smartphone-Anwendung ist der Sensor aktuell noch zu groß«, gibt Bialas zu. »Wir gehen aktuell davon aus, dass sich durch weitere Optimierungen das Volumen des Sensors in den nächsten drei bis fünf Jahren noch einmal halbieren lässt, dann wäre der Sensor aus heutiger Sicht auch für den Einsatz in Smartphones oder anderen Consumer-Anwendungen geeignet.«

Bis dahin konzentriert sich der Einsatz des PAS210 neben den bereits genannten Applikationen vor allem auf Bereiche wie Smart Home, Smart City, aber auch die landwirtschaftliche Produktion in Gewächshäusern. Erstmals stellte Infineon den neuen CO2-Sensor auf der Sensor+Test vor.