Draagbare meting voor stikstofoxiden

Onderzoek van de Rijksuniversiteit Groningen heeft een prototype opgeleverd van een draagbare stikstofdioxide meter. Deze sensor kan medische toepassingen hebben, maar kan bijvoorbeeld ook interessant zijn voor de auto industrie.

Voor het meten van gasvormige stikstofoxiden, een onderdeel van de APK-keuring van auto’s, is nu complexe en dure apparatuur nodig. Maar werk van RUG-promovenda Anne-Marije Andringa laat zien dat zo’n meetsysteem eenvoudiger en kleiner kan zijn. Andringa ontwikkelde een stikstofdioxide sensor op basis van een veldeffect-transistor. Zo’n transistor bestaat uit een halfgeleider waar een stroom doorheen kan lopen, een diëlektricum en een gate. Door de spanning op de gate te wijzigen is de geleiding van de halfgeleider in te stellen.

Vrije elektronen

Stikstofdioxide kan in het halfgeleidermateriaal doordringen en zet daar vrije elektronen vast, die nodig zijn om stroom door het materiaal te laten lopen. Daardoor neemt de geleiding af. ‘Via de gate kan je nauwkeurig bepalen hoeveel vrije elektronen er in de halfgeleider aanwezig zijn’, legt Andringa uit. Door manipulatie van het aantal vrije elektronen in de halfgeleider via de gate is het mogelijk de gevoeligheid voor stikstofdioxide maximaal te maken. Andringa ontwikkelde een model dat nauwkeurig beschrijft wat de relatie is tussen de concentratie stikstofdioxide, de spanning op de gate en de stroom die door de halfgeleider loopt.

‘De huidige generatie stikstofoxide sensoren werkt met een weerstand, die hoger wordt naar mate er meer stikstofoxide aanwezig is. Maar dan gaat het om een weerstandstoename van een paar procenten’, vertelt Andringa. In de veldeffect-transistor zorgt stikstofdioxide er voor dat de stroom van ‘aan’ naar ‘uit’ gaat, wat een veel sterker signaal oplevert.

In de praktijk bruikbaar

Andringa is niet de eerste die een veldeffect-transistor gebruikt om stikstofoxiden te meten. Maar eerdere experimenten waren nooit gericht op het ontwikkelen van een in de praktijk bruikbare, gekalibreerde sensor. ‘Ik heb een compleet meetprotocol ontwikkeld met een model er achter dat beschrijft wat er precies gebeurt en welke concentratie hoort bij een bepaalde meetwaarde. Het model heb ik experimenteel geverifieerd en ik heb een prototype sensor gedemonstreerd die real-time de concentratie stikstofdioxide kan detecteren.’

Draagbare sensor

De sensor is gewoon te integreren in moderne micro-elektronica. Dat maakt allerlei toepassingen mogelijk. ‘Je zou bijvoorbeeld een stikstofoxide sensor in een auto kunnen inbouwen om te zien hoe goed je katalysator nog werkt.’ Daarnaast is bekend dat bij astmapatiënten enkele dagen voor een zware aanval de concentratie stikstofmonoxide in de ademhalingslucht omhoog gaat. ‘Dat kan je nu alleen in het ziekenhuis meten. Een draagbare sensor zou het mogelijk kunnen maken dat patiënten thuis metingen verrichten. Dat zou het eenvoudiger maken om bij een dreigende aanval de medicijnen aan te passen.’

Andringa verrichte haar onderzoek bij Philips Research in Eindhoven en werd begeleid door prof. dr. Dago de Leeuw, die een hoogleraarschap bij de afdeling Natuurkunde van Organische Halfgeleiders binnen het Zernike Institute for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Goningen combineert met een onderzoeksfunctie bij Philips Research. Het onderzoek van Andringa is gefinancierd door NWO en de RUG, terwijl Philips Research laboratoriumfaciliteiten en ondersteuning beschikbaar stelde.

Anne-Marije Andringa promoveert op 8 februari aan de Faculty of Science and Engineering (voorheen de Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen) van de RUG. De titel van haar proefschrift is Gas sensing with field-effect transistors.

Meer informatie: Anne-Marije Andringa