A Multiparameter Gas-Monitoring System Combining Functionalized and Non-Functionalized Microcantilevers

C. Huber¹, A. Mehdaoui¹, M. P. P. Pina² ³, J.J. Morales²,
¹TrueDyne Sensors AG, 4153 Reinach BL, Switzerland, ²Nanoscience Institute of Aragon (INA), University of Zaragoza, 50009 Zaragoza, Spain, ³Instituto de Ciencia de Materiales de Aragon (ICMA), Universidad de Zaragoza-CSIC, 50009 Zaragoza, Spain

Abstract

Ziel der Arbeit ist es, ein kompaktes, robustes und wartungsfreies Gaskonzentrations- und Feuchteüberwachungssystem für den industriellen Einsatz im Bereich der inerten Prozessgase zu entwickeln. Unser Prototyp eines Multiparameter-Gasüberwachungssystems ermöglicht die gleichzeitige Messung der thermophysikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität) sowie des Wasserdampfgehalts (im ppm-Bereich) unter verschiedenen Prozessbedingungen. Dieser Ansatz wird durch die Kombination von funktionalisierten und nicht funktionalisierten Mikro-Cantilevern in einer einzigen Messplattform ermöglicht. Die Genauigkeit der Dichte- und Viskositätsmessung mit nicht funktionalisierten Mikro-Cantilevern wird für verschiedenen Gase über einen breiten Temperatur- und Druck- Bereich ausgewertet. Für die Feuchtemessung werden mikroporöses Y-Typ-Zeolith und mesoporöses Siliciumdioxid MCM48 als Sensormaterialien verwendet und charakterisiert. Eine leicht skalierbare Funktionalisierungsmethode für die Produktion mit hohem Durchsatz wird dabei angestrebt. Experimentelle Ergebnisse mit funktionalisierten Mikro-Cantilevern, die Wasserdampf (im ppm-Bereich) ausgesetzt sind, zeigen, dass Frequenzveränderungen nicht allein auf einen Masseneffekt zurückzuführen sind, sondern dass auch Steifigkeitseffekte in Abhängigkeit von der Wasser-Adsorption und der Temperatur berücksichtigt werden müssen. Um diese Hypothese zu stützen, wurde die mechanische Reaktion solcher Mikro-Cantilever modelliert, wobei sowohl die Effekte als auch die simulierten Ergebnisse durch Vergleich mit experimentellen Daten validiert wurden.