Paramagnetischer Sauerstoffsensor in Mikrosystemtechnik 

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Florian König

Projektbeschreibung

Die Kenntnis des Sauerstoffanteils in einem Gas ist in vielen medizinischen und industriellen Anwendungen wichtig. Der entwickelte Sensor macht sich die paramagnetische Eigenschaft des Sauerstoffs zunutze, welche eine sehr selektive Bestimmung ermöglicht.

Abbildung 1: Paramagnetischer Sauerstoffsensor in Mikrosystemtechnik.

Abbildung 2: Sauerstoffsensor auf Ansteuerelektronik.

Funktionsweise 

Ein Mikrokanal wird vom Messgas durchströmt und lokal einem homogenen Magnetfeld ausgesetzt. Bei Anwesenheit von Sauerstoff im Gas wird ein senkrecht außerhalb des Mikrokanals liegendes Magnetfeld erzeugt und mittels eines richtungssensitiven Magnetfeldsensors detektiert. 

Der Sauerstoffsensor zeichnet sich gegenüber anderen paramagnetischen Sauerstoffsensoren insbesondere durch das kleine Einbauvolumen und den Verzicht auf bewegliche Komponenten aus.

Abbildung 3: Simulation eines mit Sauerstoff gefüllten Mikrokanals in einem homogenen Magnetfeld.

Abbildung 4: Simulation der resultierenden magnetischen Flussdichte in Anhängigkeit von der Füllung des Mikrokanals bzw. in Abhängigkeit vom Abstand zum Kanal (schwarz: Stickstoff, übrige: Sauerstoff mit variierendem Abstand zum Kanal).

Ergebnisse 

Gegenwärtig liegt die Auflösung in einem Sauerstoff-Stickstoff-Gemisch zwischen 0% und 100% Sauerstoff bei Konzentrationsschritten unter 20%. Die Veränderung des Brückenausgangssignals ist annähernd linear.

Abbildung 5: Messung des Sensorsignals bei Variation der Sauerstoffkonzentration im Messgas.