Die Sensorik für Luftqualität auf dem Weg in den Massenmarkt

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Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT

Selektivität, Sensitivität und Stabilität

Hier stoßen derzeitige Lösungen teilweise an ihre Grenzen, je nachdem, welches Gas detektiert werden soll. Während sich etwa Sauerstoff mit einem Gehalt von rund 20 Prozent in unserer Luft problemlos messen lässt, stellt CO₂ mit einem Anteil von rund 0,05 Prozent schon eine viel größere Herausforderung für die elektronischen Spürnasen dar.

Bei Schadgasen ist eine extrem hohe Sensitivität gefordert: Dort sollte der Sensor schon bei wenigen ppm anschlagen. Eine noch nicht befriedigend gelöste Herausforderung ist auch die Selektivität: Nahezu alle heute verfügbaren Gassensoren haben mit auftretenden Querempfindlichkeiten zur Zielsubstanz zu kämpfen: Typischerweise reagiert etwa ein CO₂-Sensor auch auf Feuchtigkeit oder ein Alkoholsensor auf andere flüchtige organische Verbindungen (VOC), etwa Benzol, Xylole oder Ketone wie 2-Butanon. Dies macht die Messung kompliziert, da sich VOCs fast überall in der Umgebungsluft befinden – zu den Emissionsquellen zählen Textilien genauso wie Haushalts- und Bürogeräte, Putzmittel, Kosmetika bis hin zu Baustoffen wie Tapeten oder Farben. Eine weitere Hürde stellt die Langzeitstabilität dar: Verschmutzungen, Drift oder Sättigung können die Messergebnisse über die Zeit ungenau werden lassen.

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Hinzu kommt, dass sich alle drei Aspekte aufeinander auswirken und daher nur schwer voneinander zu trennen sind. Neue Lösungsansätze müssen also gleich mehrere Fliegen mit einer Klappe schlagen. Forschende der Fraunhofer EMFT beschäftigen sich schon seit einiger Zeit mit dieser kniffligen Aufgabe und können aktuell mit ihrem kombinierten CO₂/Feuchte-Sensor „HICO2“ einen ersten Etappensieg verbuchen: Der Sensor arbeitet nach einem impedimetrischen Funktionsprinzip und liefert bislang viel versprechende Ergebnisse. So zeigt die Sensorschicht eine hohe Sensitivität und Reversibilität, sehr konstante Antworten auf vordefinierte Konzentrationen sowie stabile Messergebnisse über mehrere Monate (Bild 2).

Ein weiterer Ansatz, der an der Fraunhofer EMFT zur Entwicklung neuartiger Sensoren für chemische und sogar biologische Parameter verfolgt wird, sind so genannte Funktionale Moleküle: Mittels chemischer Synthese werden dabei Moleküle und Partikel mit neuen Eigenschaften und erweiterten Funktionalitäten ausgestattet. Diese funktionalen Moleküle sind sowohl sensitiv als auch selektiv gegenüber definierten Zielsubstanzen (Bild 3) und ermöglichen so die Entwicklung von spezifischen Sensormaterialien für verschiedene chemische und biologische Analyten. Speziell in Bezug auf die Sättigungsproblematik könnte zudem die bereits erwähnte Mikropumpe gute Dienste leisten: Sie lässt sich auch einsetzen, um einen Sensor (in Kombination mit Ausheizen) zu rekalibrieren (Bild 4).

Verschiedene Technologiewelten kombinieren

Über alle technische Finesse darf nicht vergessen werden, welch hoher wirtschaftlicher Druck in Massenmärkten wie der Unterhaltungselektronik herrscht. Eine erfolgreiche Markteinführung neuer Produkte hängt nicht nur von dessen Innovationspotenzial ab, sondern auch von ihrer Integrierbarkeit in industrielle Massenproduktionsprozesse. In Bezug auf neue elektronische Komponenten wie etwa Gasssesoren sind als Hauptknackpunkte Energieverbrauch, Miniaturisierung sowie die Herstellungskosten zu nennen. Als Schlüsseltechnologie könnte sich hier die flexible und gedruckte Elektronik erweisen, die gleich mehrere Vorteile bietet: Eine extrem niedrige Bauhöhe, hohe Flexibilität und Robustheit und relativ geringe Herstellungskosten gerade in großen Stückzahlen.

Dank des offenen Formfaktors lässt sich gedruckte Elektronik zudem leicht in oder auf unterschiedliche Oberflächen integrieren. Am besten ist es freilich, die Vorteile verschiedener Technologiewelten zu vereinen: Gerade die Verbindung von klassischer Silizium- und Folientechnik, die das Fraunhofer EMFT schon länger betreibt, eröffnet neue Anwendungshorizonte: So lassen sich beispielsweise mit speziellen Dünnungstechniken Siliziumchips mit einer Dicke von 25 µm realisieren: Das ist dünner als ein menschliches Haar.

Die biegsamen Bauelemente lassen sich in flexible Substrate einbetten. Da sich auf diesem Wege heterogene Bauelemente effektiv und elegant zu einem System verbinden lassen, könnte sich die Verbindung beider Technologiewelten auch im Kontext des „Environmental Sensing“ in Unterhaltungselektronik als nützlich erweisen. Der Trend geht längerfristig weg von Einzelsensoren hin zu hochintegrierten Multi-Gas-Sensorsystemen (Bild 5).

Physikalische Sensoren im Smartphone

Letztlich könnte die Vision des Internet of Things auf die Gassensorik eine ähnlich katalysierende Wirkung haben wie der technologische Fortschrittshunger der Automobilindustrie auf die physikalischen Sensoren in den 1990er Jahren. Beschleunigungssensoren, Positionssensoren, Drehzahlsensoren und Drucksensoren bilden seitdem die Grundlage immer ausgefeilterer Assistenzsysteme, die das Fahren sicherer und komfortabler gemacht haben.

Auch aus dem Smartphone sind physikalische Sensoren nicht wegzudenken und werden heute in milliardenfachen Stückzahlen produziert. Im Zuge neuer IoT-Anwendungen rückt nun die Sensorik für chemische Parameter in den Fokus. Der Bedarf wächst so rasant, dass in den kommenden Jahren vielfältige neue technologische Ansätze und kreative Lösungen die Grenzen des Machbaren wieder ein Stück weit verschieben werden.

* Prof. Dr. Christoph Kutter leitet das Fraunhofer-Institut für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT in München.

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