Feinstaub und Partikel in unserer Umwelt stellen eine große Gefahr für die menschliche Gesundheit dar. Daher sind miniaturisierte Partikelsensoren von großem Interesse, um eine individuelle Überwachung der Luftqualität zu ermöglichen und potenziell schädliche Situationen zu erkennen.
Im Rahmen des Projekts „ParticulateMatterSensor“ wurden drei verschiedene Prinzipien von Partikelsensoren untersucht: Die Universität Warwick (GB) hat ein Sensorprinzip entwickelt, das auf der Frequenzverschiebung von Dünnfilm-Festkörper-resonatoren (SMRs) beruht. Ein solcher in einen CMOS-Schaltkreis integrierter Sensor, ist in der Abbildung oben dargestellt. MCL hat Sensorelemente entwickelt, die auf der thermischen Kühlung von in CMOS integrierten µhp-Bauteilen basieren. Darüber hinaus wurde die Eignung von chemischen Sensoren auf MOx-Basis für den Nachweis von Partikeln untersucht.
Es wurden mehrere Generationen von Geräten entwickelt. Ein endgültiger Aufbau, der alle drei Hauptkomponenten (1), (2) und (3) integriert, wurde bei der Universität Warwick erfolgreich realisiert. Ein Messergebnis, das den erfolgreichen Nachweis des Prinzips des gesamten integrierten Sensorsystems zeigt, ist in Abb. 1 dargestellt: Die Frequenzverschiebung des SMR-Sensors nimmt mit steigender Partikelkonzentration zu. Der zusätzliche Betrieb der seitens MCL patentierten und auf erzwungener Konvektion basierenden "Partikel-pumpe" verbessert das Messsignal des SMR-Partikel-Sensors deutlich.
Zum Nachweis des Prinzips der thermischen Kühlung der µhps hat MCL seine eigenen auf Messung der Leitfähigkeit basierten, CMOS-integrierten chemischen Sensoren eingesetzt, die einen ultradünnen (50 nm) SnO2-Film als Gassensorelement verwenden. Die Versuche zeigten, dass das Prinzip der thermischen Kühlung nur bei sehr hohen Partikelkonzentrationen funktioniert.
Die chemischen Sensoren beruhen auf der Wechselwirkung von Gasmolekülen mit Sauerstoffatomen an der Oberfläche der SnO2-Schichten. Um die Durchführbarkeit dieses Sensorprinzips für die Partikeldetektion zu überprüfen, hat MCL die chemischen Sensoren betrieben und mit Partikeln bestrahlt. Abb.2 zeigt das Spannungsverhalten von 7 verschiedenen Sensoren, die auf einem einzigen Chip bei einer Betriebstemperatur von 100°C integriert sind.
Die Messungen zeigen eine klare Korrelation zwischen Partikelfluss und -konzentration und dem Widerstand der SnO2-Dünnschichten. Chemische Sensoren können also auch als Partikelsensoren eingesetzt werden!
Wirkungen und Effekte
Die Luftverschmutzung ist ein großes Umweltrisiko, das jedes Jahr weltweit mehr als 3 Millionen vorzeitige Todesfälle verursacht. Die Tatsache, dass die chemischen Sensoren auch als Partikelsensoren eingesetzt und auf einem CMOS-Chip integrieret werden können, eröffnet völlig neue Möglichkeiten, wie etwa eine Messung von kritischen Raumluftwerten wie Sauerstoff- und Kohlenmonoxid-gehalt gemeinsam mit der Messung von Feinstaubpartikeln auf einem Armband. Ein bereits gebauter Demonstrator, der in einer Armband-anwendung eingesetzt wird, umfasst insgesamt 57 Sensoren - ein weltweit einzigartiges Sensorsystem!
Projektkoordination (Story)
Univ.-Doz. Mag. Dr. Anton Köck
Group Leader Sensor Solutions
Department Microelectronics
T +43 (0) 3842 45922-505
anton.koeck(at)mcl.at
IC-MPPE / COMET-Zentrum
Materials Center Leoben Forschung GmbH
Roseggerstrasse 12
8700 Leoben
T +43 (0) 3842 45922-0
mclburo@mcl.at, www.mcl.at
Projektpartner
• University of Warwick, United Kingdom