Mikro-Chip warnt vor schädlichen Gasen

ETH Zürich entwickelt Single-Chip-Mikrosensorsystem zur Gasanalyse

Drei verschiedene Mikrosensoren auf einen Silizium-Chip gepackt ermöglichen die Erfassung von Schadgasen in der Luft. Damit kann beispielsweise die Luftqualität in Räumen überwacht werden. Der Chip, den die ETH Zürich im Rahmen einer Zusammenarbeit mit europäischen Universitäten entwickelt hat, wird in der Ausgabe vom 15. November des Wissenschaftsmagazins Nature genauer vorgestellt.

An Einsatzmöglichkeiten für den Gas-Sensor-Chip mangelt es nicht: Die Luftqualität in Räumen lässt sich damit überwachen. Im weiteren können mit dem System Personen vor schädlichen oder sogar giftigen Substanzen – z.B. Perchlorethylen aus chemischen Reinigungsanlagen – gewarnt werden.

Kostengünstige Massenproduktion wird möglich

Das neuentwickelte Single-Chip-Sensorsystem, das diese Woche in Nature präsentiert wird, ist auf einem Silizium-Chip von nur 7 auf 7 mm integriert und deshalb auch mobil einsetzbar. Die Verwendung von Siliziumchips erlaubt eine kostengünstige Massenproduktion, im wesentlichen mit bestehenden Fabrikationsanlagen der Mikroelektronikin-dustrie. Neben den Sensoren ist auf dem Chip auch die gesamte Elektronik mit dem Interface, über welches das System gesteuert werden kann, untergebracht. Die Mikro-sensoren auf dem Chip werden mit bestimmten Polymeren beschichtet, die Gasmoleküle (vor allem organische Lösemittel) aus der Luft aufsaugen und einlagern. Durch die Einlagerung ändern sich die Polymereigenschaften, wodurch spezifische elektrische Signale erzeugt werden.

Sensoren liefern für jedes Gas ein typisches Signalmuster

Drei verschiedene Sensortypen sind auf dem Chip angeordnet: Der erste misst die Änderungen der Masse bis auf weniger als ein Pikogramm (ein Milliardstel Milligramm) genau. Der zweite Typ misst die freiwerdende Wärme, wenn sich ein Gas in den Sensor anlagert. Der dritte Sensortyp misst Änderungen in der elektrischen Kapazität und reagiert deshalb sehr empfindlich auf polare Moleküle wie Wasser oder Alkohole.

Da Gasmoleküle unterschiedliche chemische bzw. elektrische Eigenschaften sowie eine unterschiedliche Masse haben, erzeugen die verschiedenen Sensoren Signalmuster, anhand derer ein Gas eindeutig identifiziert werden kann. Die Signalhöhe hängt von der Anzahl Moleküle ab, sodass sich auch die Konzentration des Stoffes in der Luft quantitativ bestimmen lässt.

Spezifische Spektren von Gasen erfasst

Verschiedene Sorten von Polymeren nehmen bestimmte Gruppen von Gasen bevorzugt auf: Polare Polymere lagern eher polare Gase ein, unpolare eher unpolare. Um mehr Informationen zu erhalten, können auch mehrere Sensorchips mit verschiedenen Polymeren beschichtet und als so genanntes „Sensorarray“ aufgebaut werden. Das Sensorsystem ist jedoch nicht mit der menschlichen Nase vergleichbar. Im Gegensatz zu dieser werden die Gas-Sensor-Chips auf eine bestimmte Gruppe von Gasen opti-miert und decken daher nur ein spezifisches Spektrum an Stoffen ab.

Sensorchips laufend weiterentwickelt

Am Labor für Physikalische Elektronik der ETH Zürich wurden in den letzten zehn Jahren zahlreiche Sensorchips für verschiedenste Anwendungen entwickelt, z.B. für Luftströmung, Temperatur oder Magnetfelder. Der Sensorchip ist Bestandteil einer Zusammenarbeit der Universitäten Tübingen (DE) und Bologna (IT) mit der ETH Zürich zur Entwicklung eines handtellergrossen Gasanalysegerätes. Diese wird mit Geldern der Körberstiftung (DE) im Rahmen des Europäischen Forschungspreises gefördert.