UnravelTEC ist Industriepartner im FFG-Forschungsprojekt Nano4E: FFG
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 werden die gasempfindlichen Nanomaterialien sowohl mit Wärme als auch mit Licht angeregt. Durch die Anwendung dieser dualen Anregungsarten – Wärme und Licht – und Verwendung schneller zeitlicher Modulation, eröffnen wir einen völlig neuen Parameterraum für chemische Sensoren, der noch nie erforscht wurde: Das Nano4E Sensorsystem ist in der Lage chemische Reaktionen von Gasmolekülen mit dem Nanomaterial spezifisch auslösen zu können und ermöglicht damit den dynamischen Nachweis von Gasen mit bisher unerreichter Selektivität und Sensitivität.
UnravelTEC plant die Nano4E-Sensoren in seinen Airquality-Monitoring-Produkten für Indoor- und Outdoor-Anwendung einzusetzen. Die Nano4E-Sensoren ermöglichen die gleichzeitige Detektion mehrerer Gase mit einem einzelnen Sensorsystem bei gleichzeitig stark reduzierter Baugröße, Kosten und Leistungsverbrauch.
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
Um die Werte mit kommerziell erhältlichen Sensoren vergleichen zu können wurde ein Motherboard entwickelt, auf dem bis zu vier der neuen Sensor-Quadrupel eingesteckt werden können. Alle eingesteckten Boards werden über eine von UnravelTEC entwickelte Software voll automatisiert gesteuert, die verschiedenen Sensorwerte werden automatisiert ausgelesen und kommen in die Sensordatenbank und können ausgewertet und mit den Werten der kommerziellen Sensoren verglichen werden.
Die vier Slots können von den Forschungspartnern mit beliebigen Konfigurationen bestückt werden und erlauben es so 16 Sensorflächen vollautomatisch mit verschiedensten Parametern zu evaluieren.