Photoacoustic gas sensing with MEMS microphone technology

Abstract

Detection of trace gases using Photoacoustic Spectroscopy (PAS) offers numerous advantages over conventional methods such as analytical and electrochemical sensors. The primary benefit of PAS is its ability to directly detect light absorption by the sample gas at any wavelength, enabling rapid and nondestructive measurements of absorbance spectra without the need for sample preparation or contact. Additionally, PAS is an effectively background-free approach. Employing a conventional Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) microphone as a photoacoustic sensor provides a cost-effective, user-friendly, and highly sensitive method for PAS. Due to the microphone’s high sensitivity at frequencies ranging from 20 [kHz] to 80 [kHz] and its low intrinsic noise, it is possible to detect trace gas concentrations with a high Signal-to-Noise Ratio (SNR). This master thesis aims to characterize both analog and digital MEMS microphones for measuring gas absorption lines in the Near Infrared (NIR) region. Initially, the resonance characteristics of a cylindrical gas cell are determined through simulation. The gas cell is then constructed, and NIR measurements of ammonia (NH3) are conducted using both digital and analog MEMS microphones. The study evaluates the microphones in terms of SNR, measurement simplicity and speed, and the impact of background noise, cell leakage, and gas behavior within the cell (continuous flow or single fill-up). Based on the results, the most suitable microphone is selected, and the absorption line of a ro-vibrational NH3 transition is measured. The minimum trace gas concentration and absorption coefficient are determined, along with the herefore required input power. From these parameters, an estimate can be made regarding the feasibility of using these microphones for other spectral regions, such as the THz regime, and the necessary optimizations for such applications.

Die Detektion von Spurengasen mittels PAS bietet zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden wie analytischen und elektrochemischen Sensoren. Der Hauptvorteil von PAS ist die Fähigkeit, die Lichtabsorption durch das Probengas direkt bei jeder Wellenlänge zu detektieren, was schnelle und zerstörungsfreie Messungen von Absorptionsspektren ohne Probenvorbereitung oder Kontakt ermöglicht. Darüber hinaus ist PAS ein effektiv hintergrundfreier Ansatz. Der Einsatz eines konventionellen MEMS Mikrofons als photoakustischer Sensor bietet eine kostengünstige, benutzerfreundliche und hochempfindliche Methode für PAS. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Mikrofons für Frequenzen von 20 [kHz] bis 80 [kHz] und seines geringen Eigenrauschens ist es möglich, Spurengaskonzentrationen mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu detektieren. Diese Masterarbeit zielt darauf ab, sowohl analoge als auch digitale MEMS Mikrofone zur Messung von Gasabsorptionslinien im NIR Bereich zu charakterisieren. Zunächst werden die Resonanzeigenschaften einer zylindrischen Gaszelle durch Simulation bestimmt. Die Gaszelle wird dann gebaut und NIR Messungen von Ammoniak (NH3) werden mit sowohl digitalem als auch analogem MEMS Mikrofon durchgeführt. Die Studie bewertet die Mikrofone in Bezug auf SNR, Messsimplizität und -geschwindigkeit sowie die Auswirkungen von Hintergrundgeräuschen, Zellleckage und dem Verhalten des Gases innerhalb der Kammer (kontinuierlicher Fluss oder einmalige Füllung). Basierend auf den Ergebnissen wird das am besten geeignete Mikrofon ausgewählt und die Absorptionslinie eines ro-vibrationalen NH3 Übergangs gemessen. Die minimale Spurengaskonzentration und der Absorptionskoeffizient werden bestimmt, zusammen mit der dazu erforderlichen Eingangsleistung. Aus diesen Parametern kann eine Schätzung über die Möglichkeit der Verwendung dieser Mikrofone für andere Spektralbereiche, wie den THz- Bereich, und die notwendigen Optimierungen für solche Anwendungen gemacht werden.