UV-excited $SnO_{2}$ nanowire based electronic nose

Unsere Atemluft ist täglichen Schwankungen ausgesetzt und die Marktnachfrage nach Sensoren, die die Luftqualität messen können, steigt rapide an. Ein großer Teil dieser Nachfrage kann mit Metall-Oxid Gas Sensoren bedient werden. Diese Art von Gassensoren hat jedoch einige Nachteile im Bezug auf Genauigkeit, Langzeitstabilität, Leistungsaufnahme und Selektivität. Auch fehlen großvolumige Anwendungsbeispiele auf dem Markt, die Metall-Oxid (MOX) Gassensoren einsetzen und dabei alle Systemanforderungen erfüllen.
Diese Arbeit stellt die neueste Entwicklung der "KArlsruhe MIkro NAse", einer im Rahmen der EU Horizon 2020 Initiative namens SMOKESENSE entwickelten elektrischen Nase, vor und vergleicht diese mit dem aktuellen Stand der Technik für Metalloxid-Gassensoren. ... mehr
Es wird gezeigt, dass durch UV-Anregung der $SnO_{2}$-Nanodrähte ein geringerer Stromverbrauch sowie eine minimierte Siloxan-Kontaminierung im Vergleich zu klassischen MOX-Sensoren erzielt wird. Zudem lässt sich mittels Aerosol-Jet-Druck eine vereinfachte und kostengünstigere Herstellung der Sensoren realisieren.
Um die Massenproduktionstauglichkeit für eine Anwendung als intelligenter Feuersensor sicherzustellen, wird der Wachstumsprozess der Nanodrähte optimiert. Außerdem wird ein neuartiges chemisches FET-ähnliches Sensorkonzept namens Chem-FET vorgestellt, das im Vergleich zu UV-KAMINA ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis und eine schnellere Reaktionszeit bietet. Eine überwachte Lernmethode des Maschinellen Lernens basierend auf einer linearen Diskriminanzfunktion wird verwendet, um verschiedene Zielgerüche zu klassifizieren. In einer Anwendung als Feuersensor erwiesen sich die entwickelten Sensorprototypen als konkurrenzfähig. Zusätzlich werden Möglichkeiten aufgezeigt, das Sensorprinzip als Plattform für andere Anwendungsarten verwenden zu können.
Während mit den vorgestellten Methoden die Leistung des Gesamtsystems optimiert werden konne, bleibt als Ausblick Verbesserungsbedarf in Bereichen, wie z. B. der Charakterisierung von Gerüchen und der Testmethodik für die Anwendung in hohen Stückzahlen.

The air we breathe is changing every day and the market demand for the sensors that quantify our surrounding air is growing rapidly. A big portion of that market appetite can be fulfilled by a Metal oxide gas sensor. However, these types of gas sensors are lacking accuracy, long-term stability, low power consumption, and decent selectivity. The market is also lacking high-volume application examples using such sensors while fulfilling the system requirements.
In this work, we tried to challenge the state-of-the-art metal oxide gas sensor solution with an electronic nose. ... mehrThe work represents the latest development of ‘Karlsruhe MIkro NAse’ within the scope of the European Union Horizon 2020 initiative project called, SMOKESENSE. The use of UV illumination as a means to excite the $SnO_{2}$ nanowire improves the power consumption and minimizes Siloxane contamination. Additionally, due to the implementation of aerosol jet printing technology, the sensor concept became simpler and more cost-efficient. The nanowire growth process has been optimized to ensure mass production capabilities for the final application as a smart fire alarm. Last but not least, a novel chemical FET-like sensor concept has been presented called Chem-FET, which offers a better signal-to-noise ratio and faster response time compared to UV KAMINA. Linear Discriminant Analysis (LDA) has been used as a supervised machine learning method to classify the fingerprint of targeted smells. The prototype version of the developed sensor demonstrated competitive performance as the fire alarm. Additionally, the sensing principle can easily be used as a platform for other types of applications.
Even though the presented sensing methodology optimized the complete system performance; however, several areas need to be improved as an outlook including smell characterization, and testing methodology for high volume applications.