Ziel der Entwicklung

Im Projekt MUSIGA bestand die technisch-technologische Zielstellung darin, kalibrierfähige, unbeheizte, impedimetrische Sensoren bzw. Sensorarrays mit integrierter Signalvorverarbeitung zur Detektion von CO2 in der Atmosphäre zu entwickeln. Technisch gibt es verschiedene Möglichkeiten die Detektion sowie die Konzentrationsbestimmungen unterschiedlicher Gase vorzunehmen. Wobei nicht jedes Verfahren für jedes Gas geeignet ist.
Als erste technologische Grundlage sollen die Sensoren aus dem Portfolio des CiS dienen. Das Messprinzip ist somit die elektrische Impedanzspektroskopie und das materialabhängige Ausgangssignal ist ein Frequenzgang mit zugehöriger Phasenverschiebung. Dieses Prinzip sollte zur Gasdetektion und -konzentrationsmessung eingesetzt werden. Um beim Gas eine Änderung der Impedanz zu messen, war der Einsatz von sensitiven Polymeren und durch Sol-Gel-Technik hergestellte Hybridpolymere geplant. Dabei sollten verschiedene sensitive und selektive Funktionsschichten charakterisiert, geeignete herausgesucht und Sensoren für die gewünschten Messgrößen aufgebaut werden.
Im Vergleich zum Stand der Technik, mussten folgende technisch-technologische Zielstellungen bearbeiten werden:
– Aufbringung und Charakterisierung von unstrukturierten, gassensitiven und -selektiven Funktionsschichten zur Detektion ausgewählter Gase
– Realisierung von impedimetrischen Sensoren mit implantierter Interdigitalstruktur im Siliziumsubstrat
– Realisierung der Gasdetektion mit den anvisierten Multisensoren ohne Nutzung von integrierten Be-/Ausheizungskomponenten
– Integration aller Komponenten (Transducer, gassensitive Funktionsschicht, Signalverarbeitung), auch zur simultanen Querempfindlichkeitsdetektion (Feuchte, Temperatur, O2) im Sensorarray
Anhand der technisch-technologischen Zielstellungen und der Arbeitsinhalte zeigt sich das technisch-technologische Risiko des Vorhabens auf. Es lag speziell im Finden des technologischen Fensters für eine vertretbare Ausbeute, da sich die Streuungen der technisch-physikalischen Parameter direkt auf die implantierte Interdigitalstruktur und deren Aspektverhältnis sowie die Homogenität der gassensitiven Funktionsschicht auswirkten.
Die Zielstellungen konnten mit einer minimalen aber vertretbaren Abweichung (Pkt. 3) erreicht werden. Abweichend vom Teilprojektziel wurde für die CO2-Detektion und Konzentrationsmessung, bei Umgebungsfeuchten größer 50 Prozent, ein Heizelement integriert. Als alternatives Heizelement konnte der im Projekt neu entwickelte Sensor mit den implantierten Interdigitalstrukturen ohne Funktionsschicht mitgenutzt werden. Durch das bedarfsabhängige Zuschalten und Regeln des Heizelementes ergeben sich zusätzlich vermarktungswirksame Effekte.

Vorteile und Lösungen

Als Ergebnis stehen nun zwei Varianten von Sensorarrays zur Verfügung. Zum Einen ein Sensorarray zur CO2-Detektion, Konzentrationsmessung sowie Feuchtemessung ohne Heizelement zur Anwendung bei Umgebungsfeuchten kleiner 50 Prozent. Zum Anderen ein Sensorarray zur CO2-Detektion, Konzentrationsmessung sowie Feuchtemessung mit zuschaltbaren und regelbaren Heizelement (T=65-70°C) zur Anwendung bei Umgebungsfeuchten größer 50 Prozent.
Es konnte somit der Nachweis erbracht werden, dass die im Projekt entwickelten Prototypen für die Detektion und die Messung der Konzentrationsänderung von CO2 geeignet sind. Der Nachweis konnte anhand des Ansprechens und der korrelierenden Signalreaktion auf die klimatisch wechselnden Bedingungen quantitativ belegt werden. Anhand der Validierungsergebnisse lassen sich für die im Projekt verwendeten sensitiven Funktionsschichten folgende Charakterisierungen aufstellen.
Als verwertbare Projektergebnisse stehen dem CiS zur Verfügung:
– Transducer mit implantierten Interdigitalstrukturen variierender Geometrien
– Sensoreinzelmodule und Sensorarrays verschiedener Aufbauserien mit gassensitiven und/ oder feuchte sensitiven Funktionssystemen (unbeheizt und beheizbar)
– Know-how zur Beschichtungstechnologie mittels dem InkJet-Printer (Inhouse) sowie
– ein erweiterter Gasmessplatz für Kalibrierdienstleistungen intern und gegenüber Dritten

Zielgruppe und Zielmarkt

Mit den im Projekt entwickelten Prototypenvarianten konnte gezeigt werden, dass eine stabile und quantitative Messung von CO2 über einen großen Messbereich 500 - 4.000 ppm möglich ist. Der Sensor funktioniert ohne Heizung nur zur Anwesenheitserkennung von CO2 und ist Temperatur und Feuchte abhängig, was den sensitiven Material der Funktionsschichten geschuldet ist. Unter Verwendung eines identischen Tansducer ohne Funktionsschicht als Heizelement (keine zusätzlichen Kosten für extra Heizungsherstellung), ist die Messung der CO2-Konzentration unabhängig von variierenden Umgebungstemperaturen und -feuchten durchführbar. Die Regelung der Heizung erfolgt variabel über die Versorgungsspannung und ist so gering, dass sogar ein Batteriebetrieb machbar ist. Selbst in der Aufbauvariante als Sensorarray.
Im Sensorarray ist durch die Verwendung verschiedener sensitiver Materialien für CO2 und Feuchte die Messung verschiedener Messgrößen möglich. Somit kann über die Messung der Umgebungsfeuchte das Zuschalten bzw. Abschalten der Heizleistung sensorintern geregelt werden. Mit der Realisierung dieser variierenden Sensorarrays ohne und mit Heizelement sowie der Möglichkeit zur sensorinternen Regelung der Heizleistung ergeben sich zusätzlich positive vermarktungswirksame Effekte.
Im Vergleich zum Stand der Technik wurden folgende weiteren Punkte gefordert und mit den Projektergebnissen nachweislich erfüllt:
– feine implantierte Interdigitalstrukturen mit variierender Geometrien
– dünne, dichte und porenfreie Passivierung zum Schutz der implantierten Strukturen
– dünne gassensitive aber unstrukturierte Funktionsschichten
– Querempfindlichkeit der sensitiven Funktionsschicht auf Sauerstoff, Feuchte und Temperatur minimieren bzw. ausschliessen (hier auch Stickstoff)
– Detektion von CO2 und sich ändernder CO2-Konzentration zwischen 500-4.000ppm
– anwendungs- und kundenspezifische Aufbauserien
– geringe Anschaffungskosten
– niedriger Energiebedarf
– unkritisch gegenüber Verunreinigungen
– unkomplizierte Austauschbarkeit (bei Bedarf)
Um den aktuellen Entwicklungsstand für den Anwender weiterhin interessant zu gestalten, sind zukunftsweisende Optimierungen geplant.
– Verbesserung der Ansprechzeiten der Sensormodule/-array
– Erweiterung der Langzeitstabilität der sensitiven Materialien
– Untersuchung weiterer sensitiver Materialien für andere Gase  
– Erweiterung der Beschichtungstechnologie mit dem InkJet-Printer (da sich nachweislich dünne Schichten um die 1µm und kleiner lassen)
– Erarbeitung einer druckbaren Filterschicht aus bspw. PTFE
Die im Rahmen dieses Projektes entwickelten Transducer mit implantierten Interdigitalstrukturen und das Know-how zur Aufbereitung und Verarbeitung sensitiver Materialien mittels InkJet-Printer werden im CiS zur Beantragung sowie Bearbeitung weiterer FuE-Projekte genutzt. Das im Projekt erworbene Know-hows dient weiterhin dazu, das Leistungsspektrum der Prüfdienste für die Industrie (erweiterter Gasmessplatz) zu vergrößern und weitere bilaterale Entwicklungsarbeiten mit der Industrie zu akquirieren.