Integrated thermo-optically activated Nanosensors for environmental monitoring
UnravelTEC ist Industriepartner im FFG-Forschungsprojekt: 4641741
Ziel des Projektes
Ist die Entwicklung eines thermo-optisch aktivierten Metalloxid-Nanosensors, bei dem zum ersten Mal thermische und optische Gassensorprinzipien in ein einzelnes Sensorsystem integriert werden.
Dabei erfolgt eine Anregung der gasempfindlichen Nanomaterialien durch Wärme und Licht. Wir eröffnen einen völlig neuen Parameterraum für chemische Sensoren, der noch nie erforscht wurde: Das Nano4E Sensorsystem kann chemische Reaktionen von Gasmolekülen mit dem Nanomaterial spezifisch auslösen und ermöglicht damit den dynamischen Nachweis von Gasen mit bisher unerreichter Selektivität und Sensitivität. Wir verwenden diese zwei Anregungsarten – Wärme und Licht – und schnelle zeitliche Modulation.
Die Nano4E-Sensoren sollen von UnravelTEC in seinen Airquality-Monitoring-Produkten für Innen- und Außenbereiche verwendet werden. Mit den Nano4E-Sensoren können mehrere Gase gleichzeitig mit einem einzigen Sensorsystem erfasst werden, wobei die Baugröße, die Kosten und der Leistungsverbrauch deutlich gesenkt werden.
Motivation
Der chemische Nachweis von Gasen ist eine unerlässliche Notwendigkeit, um eine hohe Luftqualität sowohl im Innenbereich als auch in der Außenumgebung gewährleisten zu können. Da die Bevölkerung in Europa bis zu 90% ihrer Zeit in Innenräumen verbringt, ist die Luftqualitätsüberwachung in privaten Haushalten und Büros, in Fahrzeugen und Transportmitteln von besonderer Bedeutung. Da umweltverschmutzende Gase im Außenbereich auch die Luftqualität in Innenräumen signifikant beeinflussen, ist das Umweltmonitoring von großer Wichtigkeit, um eine hohe Luftqualität im Alltagsleben gewährleisten zu können.
In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche Arten von elektrischen Gassensoren entwickelt, die darauf beruhen, dass sich bei Anwesenheit bestimmter Gase die elektrische Leitfähigkeit ändert. Dabei haben sich die widerstandsbasierten Sensoren, bei denen gassensitive Metalloxide wie SnO2, ZnO, CuO, oder WOx eingesetzt werden, als bisher vielversprechendste Kandidaten herausgestellt. Obwohl hier im Hinblick auf Miniaturisierung und Leistungsbedarf beträchtliche Fortschritte erzielt wurden, können die derzeitigen Sensoren den Ansprüchen, die an smarte Sensorsysteme gestellt werden, nicht genügen: Das Ansprechverhalten ist langsam, der Stromverbrauch ziemlich hoch, die Sensoren weisen Querempfindlichkeiten auf und sind daher primär industriellen Anwendungen vorbehalten. Generell ist die mangelnde Selektivität die größte Problematik, weil MOx Materialien auf mehrere Gase gleichzeitig reagieren und damit nicht in der Lage sind, aus einem Gasgemisch eine einzelne Gaskomponente eindeutig zu detektieren.
Rolle von UnravelTEC
UnravelTEC entwickelt im Nano4E-Projekt die für das Ansteuerung und Auslesen der thermooptischen Sensoren nötige Analog- und Digitalelektronik.
UnravelTEC testet die Nano4E-Sensoren sowohl im eigenen Gasprüfstand, als auch im “Feld” – in Indoor- und Outdooranwendung und vergleicht deren Performance mit Konkurrenzsensoren.
Projektpartner
Nano4E Chip Größenvergleich
AFE Board
Eine Aufgabe von UnravelTEC ist es die Ansteuerung der vier LEDs, der vier Heizplatten zu mit einstellbarem Konstantstrom zu realisieren, sowie das Messen der veränderlichen vier MOx-Sensorflächen. Es wurde im Projektverlauf ein Analogboard (AFE – analogue frontend) entwickelt, welches die erforderlichen Aufgaben erfüllt.
Vergleich
Es wurde ein Motherboard entwickelt, auf dem bis zu vier der neuen Sensor-Quadrupel eingesteckt werden können, um die Werte mit kommerziell erhältlichen Sensoren zu vergleichen. Eine Software, die von UnravelTEC entwickelt wurde, steuert alle eingesteckten Boards vollautomatisch. Die unterschiedlichen Sensorwerte werden automatisch ausgelesen, gelangen in die Sensordatenbank und lassen sich mit den Werten der kommerziellen Sensoren vergleichen und analysieren.
Die Forschungspartner haben die Möglichkeit, die vier Slots mit unterschiedlichen Konfigurationen auszustatten. Dadurch ist es möglich, 16 Sensorflächen vollautomatisch mit einer Vielzahl von Parametern zu evaluieren.