Ein Sensorchip für wache Meetings

2. Juli 2016, 09:00
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Am Materials Center Leoben werden Nanosensoren entwickelt, die unter anderem als Basis für eine neue Klimatechnik dienen.

Leoben – Die Konferenz dauert. Es ist stickig. Die Mitarbeiter rund um den Tisch werden müder. Kaum jemand kann sich noch konzentrieren. Der Grund für den Leistungsabfall in einer derartigen Situation liegt nicht nur in langatmigen Vorträgen. Mit der ausgeatmeten Luft steigt der Anteil von CO2 und organischen Partikeln im Raum. Die Luftqualität sinkt.

Konventionelle Klimaanlagen helfen in diesem Fall nicht, da sie lediglich auf Temperatur reagieren. In den Smart Buildings der Zukunft soll sich das ändern. In ihnen soll die Luftqualität individuell und automatisch reguliert werden. Sobald der Kohlendioxidanteil im Raum durch die Atemluft steigt, wird Frischluft eingeblasen.

Um ein solches Gebäudeklimasystem steuern zu können, bedarf es eines im ganzen Haus verteilten Sensornetzes. Aktuelle technische Ansätze integrieren die Sensoren als kleinste Strukturen in Mikrochips. Im Rahmen des EU-Projekts "MSP – Multi Sensor Plattform for Smart Building Management", das 17 Partner aus sechs Staaten vereint und am Materials Center Leoben (MCL) koordiniert wird, werden derartige mit Nanosensoren versehene Chips entwickelt. Das MCL wird im Rahmen des Comet-Programms der Förderagentur FFG von Verkehrsministerium und Wirtschaftsministerium unterstützt.

"Auf die Mikrochips werden Drähte, Partikel und Schichten im Nanobereich aufgebracht", erklärt Anton Köck, Key-Researcher im Bereich Microelectronics des MCL. Die Größenverhältnisse liegen bei einem Tausendstel eines Haardurchmessers.

Ein CO2-Sensor besteht dabei etwa aus einer Kupferoxidschicht, an der Spannung angelegt ist. Bei steigendem Kohlendioxidanteil in der Luft reagiert das CO2 mit dem Sensormaterial, Elektronen werden ausgetauscht. Besondere Nanopartikel, die die Forscher auf die Sensorschicht aufbringen, verbessern die Reaktionsfähigkeit. Der elektrische Widerstand verändert sich somit bei Kontakt mit den CO2-Molekülen und kann gemessen werden.

Im Forschungsprojekt soll eine Herstellungsmethodik entwickelt werden, bei der je nach Anforderung verschiedene Sensortypen auf einem Chip kombiniert werden können – für die Haustechnik etwa Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Feinstaub und Feuchtigkeit, erläutert Köck. Aufgebracht werden die Nanostrukturen mit einer speziellen Drucktechnik.

Autonome Sensorknoten

Die Sensorchips sollen nach einer Vorverarbeitung die Daten drahtlos an eine Zentraleinheit senden, die die Funktion des Gesamtsystems im Haus koordiniert. Eine auf Kunstlicht optimierte Solarzelle samt kleinem Akku würde die Einheit energieautonom machen. Die omnipräsenten kommunizierenden Sensorknoten könnten nicht nur das Raumklima je nach menschlicher Anwesenheit gezielt regeln und damit einen großen Teil der bisherigen Klimatisierungskosten einsparen. Mit Infrarottechnik ausgestattete Sensoren könnten auch Brandherde erkennen und optimale Fluchtwege für Menschen im Hochaus finden.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Nanosensoren liege im Bereich von Smartphones, ist Köck überzeugt. Sportler könnten im Freien vor hohen Ozonwerten gewarnt werden, Stadtbewohner vor Feinstaubwerten, Sonnenbadende vor UV-Werten. Künftig könnten Smartphones und TV-Geräte sogar Gerüche übermitteln, so eine Vision aus der Branche. Die Geruchspartikel würden dabei analysiert, die Daten übermittelt, und im Zielgerät aus wenigen Komponenten reproduziert.

Präsentiert werden solche Visionen unter anderem auf der Grazer Konferenz nanoFIS ("Functional Integrated Nano Systems"), die diese Woche zum zweiten Mal stattfindet. Keynote-Speaker Jong Min Kim von der Cambridge University in Großbritannien stellt hier etwa Anwendungen im Bereich der Nanophotonik vor: Spezielle Partikel, sogenannte Quantum-Dots seien ihm zufolge eine Schlüsseltechnologie für künftige Bildschirme, Solarzellen oder Fotosensoren. Bildschirme produzieren mithilfe dieser Technologie etwa bereits hellere und farbtreuere Bilder. (Alois Pumhösel, 29.6.2016)

  • Auf die Mikrochips (hier noch unverarbeitet in Wafer-Form) werden spezielle Nanokomponenten  wie Zinnoxid oder Nanodrähte abgeschieden, um sie zu Sensorchips zu machen.
    foto: mcl

    Auf die Mikrochips (hier noch unverarbeitet in Wafer-Form) werden spezielle Nanokomponenten wie Zinnoxid oder Nanodrähte abgeschieden, um sie zu Sensorchips zu machen.

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