Konzeptentwicklung und Aufbau eines hochintegrierten Sauerstoffsensors bei 60 GHz

Um die Sicherheit an Bord eines Flugzeugs zu gewährleisten, muss der Tank des Flugzeugs inertisiert werden. Die Überprüfung der Inertisation erfolgt durch Sauerstoffsensoren. Je nach Sauerstoffmessmethode haben gängige Sauerstoffsensoren gewisse Nachteile wie hohe benötigte Betriebstemperaturen, schnelle Alterung, begrenzte Sensorlebensdauer, große Abmessungen oder hohe Kosten. Deshalb haben Flugzeugbauer wie Airbus ein großes Interesse an neuen Sauerstoffmessmethoden.

Hier bietet sich das Absorptionsband von Sauerstoff bei 60GHz an, da es eine sehr spezifische und kontaktlose Detektion ermöglicht. Diese beiden Eigenschaften sind besonders bei sicherheitsrelevanten Messungen in explosionsgefährdeten Umgebungen von großem Interesse. Bisherige Absorptionssensoren bei 60GHz wurden nur zur Grundlagenforschung eingesetzt und haben deshalb eine praxisferne Implementierung. Typischerweise sind diese sehr teuer, schwer und unhandlich. Die vorliegende Arbeit beschreibt im Gegensatz dazu den Aufbau und die Messdatenauswertung eines neuartigen, günstigen und hochintegrierten Sauerstoffsensors bei 60GHz.

Aufgrund der geringen Absorption von gasförmigem Sauerstoff bei 60GHz erfolgt die Sauerstoffbestimmung über die Gütemessung eines hochgütigen Fabry-Perot-Resonators. Zur Messung der Güte wird eine integrierte Schaltung verwendet, die sowohl die Reflexion als auch die Transmission des Resonators erfassen kann. Darauf aufbauend wird gezeigt, wie jeweils aus der Transmission und der Reflexion die Güte des Resonators bestimmt werden kann. Vor allem die Gütebestimmung über die Reflexion ist sehr beachtenswert, denn diese ermöglicht die Herstellungskosten für den Sauerstoffsensor zu reduzieren und dabei sogar die Messgenauigkeit zu verbessern. Da es bei dem Aufbau nicht möglich ist mit Kalibrierstandards zu kalibrieren, ist ein wesentlicher Teil dieser Arbeit die Messdatenauswertung.