Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Nový senzor malých koncentrací ozonu na obzoru

Slzící oči, podrážděné sliznice, bolesti hlavy, dráždivý kašel – příliš velká koncentrace ozonu v dýchaném vzduchu ovlivňuje zdraví lidí. Silně oxidující plyn se vyskytuje v ovzduší především v létě jako součást tzv. letního smogu. Ozon emitují také některé moderní kancelářské přístroje, jako laserové tiskárny a kopírky. Evropská komise chce do roku 2010 výrazně snížit povolené koncentrace tohoto zdraví škodlivého plynu v ovzduší – ze současných 120 na 60 ppb (parts per billion = 1·10–9). Ke sledování malých koncentrací ozonu v oblasti přípustných mezních hodnot budou třeba nová výkonná měřicí zařízení, jakým je např. miniaturní senzor koncentrace ozonu nedávno vyvinutý a vyzkoušený odborníky z Fraunhoferova ústavu pro aplikovanou fyziku tuhých těles IAF (Institut für Angewandte Festkörperphysik) ve Freiburgu.
 
Velmi citlivý senzor s rozměry jen 0,25 × 0,25 mm (obr. 1) se pohodlně vejde do každého mobilního telefonu a může měřit koncentraci ozonu s prahovou citlivostí až 40 ppb. Zvláštností nového senzoru je, že pracuje bez nákladné optiky. Ke stanovení koncentrace ozonu používá citlivou vrstvu oxidu inditého (In2O3), nanesenou v nepatrné tloušťce jen 15 nm na zadní straně světelné diody (LED) s fialovým světlem. Elektrický odpor této nanovrstvy se mění se stupněm oxidace, úměrně podle koncentrace ozonu v okolním vzduchu. Při zapnutí LED se senzor regeneruje studeným fotochemickým redukčním procesem. To je významný pokrok v porovnání s dosud běžně používanými přístroji pro měření koncentrace ozonu, které se před novým měřením regenerují zahřátím citlivého prvku na teplotu asi 300 °C. Spotřebovávají tudíž mnoho energie a svou velikostí se blíží rozměrům malé chladničky.
 
U senzorů z Fraunhoferova ústavu IAF se naproti tomu LED jen krátce rozsvítí, neboť elektrický odpor senzoru během asi dvou minut opět klesne na výchozí hodnotu a senzor je připraven k dalšímu měření. Určitým problémem bylo, že působením záření emitovaného světelnou diodou v ultrafialové části spektra vzniká ze vzdušného kyslíku ozon, a mohlo by tudíž dojít ke zkreslení výsledků měření. Proto muselo být frekvenční spektrum záření emitovaného diodou velmi přesně přizpůsobeno fyzikálnímu procesu probíhajícímu ve vrstvě In2O3. Princip senzoru, který pracovníci IAF použili, je již 25 let starý, ale až dosud se ho nepodařilo výrobně realizovat. Úspěchu bylo dosaženo teprve nyní, a to díky týmové spolupráci odborníků Technické univerzity v Ilmenau pracujících v oblasti citlivých nanovrstev a expertů z IAF s velkými zkušenostmi s vývojem světelných diod.
 
Nový senzor koncentrace ozonu při zkouškách prokázal, že použitá konstrukce je jak velmi citlivá na změny koncentrace ozonu, tak mimořádně odolná proti rušivým vlivům. Odborníci z IAF v současné době dále pracují na standardizaci výrobní technologie a na její modifikaci na podmínky sériové výroby. Jakmile se podaří vytvořit metodu nanášení nanovrstvy na zadní stranu světelné diody použitelnou při sériové výrobě, bude k dispozici levný produkt k hromadnému použití. Z jedné křemíkové podložky bude možné vyrobit až několik tisíc senzorů.
[BANZHAF, D.: Handy gibt Ozónalarm. Fraunhofer Magazin, 2008, č. 2, s. 18–19.]
Kab.
 
Obr. 1. Nový senzor koncentrace ozonu (foto: Fraunhofer IAF)