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Forscherteam liefert Beitrag zur Abgasmessung von Verbrennungsprozessen

18.11.2015

Dem Abgasverhalten auf der Spur: Ein Forscherteam aus Industrie und Wissenschaft befasste sich mit intelligenter Sensorik, um verbrennungsnahe Schadstoffe zu detektieren. Ziel des österreichischen Forscherteams (Kärnten, Steiermark und Oberösterreich) war es, die Konzentration von Abgasen im laufenden Betrieb zu messen.

Die Reduktion von schädlichen Abgasen ist nicht nur für motorische Verbrennungsprozesse von großem Interesse, sondern auch für thermische Industrieanlagen. In beiden Anwendungen sind zuverlässige, kleine und idealerweise integrierbare Sensorsysteme gefragt, um die tatsächlichen Emissionswerte an Fahrzeugen oder industriellen Brenneranlagen zu messen.


Der SAW-Sensor im Größenvergleich mit einer Büroklammer

© CTR

Diese Daten können dann zur Verbrennungsregelung und Abgasnachbehandlung herangezogen werden. Die derzeit am Markt verfügbaren Systeme sind allerdings groß und relativ kostenintensiv. Im Projekt „Erforschung von hochtemperaturstabilen und gassensitiven Nano-Schichten für 'Surface Acoustic Wave – SAW' Abgassensoren“ haben sich unter der Leitung des Forschungszentrums CTR Carinthian Tech Research die Projektpartner NanoTecCenter Weiz (NTC) sowie die Industriepartner AVL List und Ebner Industrieofenbau genau dieser Fragestellung gewidmet.

„Wir haben uns auf Sensoriklösungen konzentriert, die miniaturisierbar und langlebig sind und eine Messung nahe am Verbrennungsort, ermöglichen“, erklärt Dr. Gudrun Bruckner, Projektleiterin vom Forschungszentrum CTR. „Das bedingt, dass die Sensorik hochtemperaturtauglich ist, um Temperaturen von 350 bis 500 Grad Celsius standhalten zu können“, ergänzt Bruckner.

HOCHTEMPERATURTAUGLICHE UND INTEGRIERBARE SENSORIK

Um die Hochtemperaturtauglichkeit zu erreichen, haben die Forscher Messprinzipien, wie Widerstandsmessungs- und Oberflächenwellensensorik in Kombination mit funktionalen Schichten auf Metalloxid-Basis gewählt. Beide Prinzipien überstehen bei geeigneter Wahl der Materialien extreme Temperaturen und haben das Potenzial für sehr kleine Sensorsysteme, die in großen Stückzahlen und damit sehr kosteneffizient hergestellt werden können.

Zudem ermöglicht die SAW-Sensorik eine drahtlose Abfrage („wireless readout“) der Sensoren. Die Forschungsarbeit belegte auch eine sehr hohe Sensitivität dieser Sensorik Lösung gegenüber Stickoxiden und auch Wasserstoff. Die vorgeschriebenen Grenzwerte erfordern Messungen, die bereits wenige Moleküle aus einer Anzahl von einer Million Gasmolekülen nachweisen.

„Wir haben im Projekt verschiedenste Herstellungsverfahren angewandt und dabei mehr als 60 Schichten bzw. Schichtkombinationen aus insgesamt 11 Materialien evaluiert und analysiert, um die optimale Variante zu finden“, erläutert Dr. Andreas Klug, MBA, stellvertretender Leiter für F&E und Projektverantwortlicher bei NTC.

Sowohl mit der Widerstandssensorik als auch mit der SAW-Sensorik konnten die geforderten Sensitivitäten nachgewiesen werden. Die entwickelten SAW-Sensorelemente haben eine Größe von 1 mm x 5 mm (siehe Bild SAW-Sensor) und wurden in einer Reihe von Lithografie Prozessen hergestellt, die für eine Produktion in hohen Stückzahlen ausgelegt sind. Neben der Sensitivität wies man im Projekt auch die Langlebigkeit der Sensoren unter extremen Bedingungen (bis max. 800°C) nach.
Teilergebnisse präsentierte man auf der IEEE International Ultrasonic Symposium 2014 einem Fachpublikum.

Das Projekt „Erforschung von hochtemperaturstabilen und gassensitiven Nano-Schichten für ‚Surface Acoustic Wave –SAW‘ Abgassensoren“ lief von März 2013 bis August 2015 und wurde aus Mitteln der Forschungs-Technologie-Innovations (FTI) Initiative „Produktion der Zukunft“ gefördert und von der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) abgewickelt.

Zur CTR CARINTHIAN TECH RESEARCH

Die CTR gehört als Forschungszentrum für Intelligente Sensorik und Systemintegration zu Österreichs außeruniversitären Forschungszentren. Ziel und Auftrag ist es, neueste Produkte und Prozesse basierend auf integrierten Sensoren, Mikro- und Nanosystemen zu entwickeln um sie effizienter, sicherer und smarter zu machen. Gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft realisierten die 70 MitarbeiterInnen bereits über 80 Patente. Gegründet 1997, forscht die CTR in regionalen, nationalen und internationalen F&E Projekten und ist Mitglied der FORSCHUNG AUSTRIA. Im österreichischen COMET Forschungsprogramm ist die CTR mit dem Kompetenzzentrum ASSIC Austrian Smart Systems Integration Research Center vertreten.

Zur NanoTecCenter Weiz Forschungsgesellschaft mbH

Die NTC Weiz GmbH wurde 2006 als Tochter der TU Graz sowie der JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH gegründet und ist als erfolgreiche gemeinnützige außeruniversitäre Forschungseinrichtung für Nanotechnologie, gedruckte Elektronik, Rapid Prototyping, Smart System Integration und Sensorik weit über die Grenzen des Landes hinaus bekannt. Erfolgsfaktoren sind unter anderem ein hochmotiviertes Team und eine auf dem neuesten Stand der Technik befindliche F&E-Infrastruktur. Das primäre Ziel des Unternehmens ist es, durch die Entwicklung und die Kombination von elektroaktiven Materialen mit geeigneten Strukturierungs- und Prozessierungsmethoden Anwendungen im Bereich der Sensorik, Photovoltaik und Optoelektronik wissenschaftlich, technologisch und wirtschaftlich zu erschließen.

Weitere Informationen:

http://Weitere Links:
http://www.ctr.at
http://www.ntc-weiz.at
http://www.avl.com
http://www.ebner.cc

Mag Birgit Rader-Brunner | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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