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Ein Chip fürs Umwelt- und Gesundheitsmonitoring

Mit Sensorarrays komplexe Gasgemische analysierenEin Chip fürs Umwelt- und Gesundheitsmonitoring

Sensoren für preiswerte Messgeräte oder persönliche Assistenzsysteme im Umwelt-, Sicherheits- und Gesundheitsmonitoring werden immer stärker nachgefragt. Bisher mangelt es jedoch noch an kostengünstigen Fertigungsverfahren und damit einer Massenherstellbarkeit.

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intelligente Sensorarrays

Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) wollen dies zusammen mit internationalen Partnern aus Israel und Deutschland in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt ändern. Gelingt das Vorhaben, könnten die Sensoren zukünftig beispielsweise für die großflächige und engmaschige Stickoxidüberwachung in Ballungsräumen oder für eine verbesserte Krebsdiagnostik und -früherkennung eingesetzt werden.

Die Sensoren: Die Komposition macht´s
Das Projekt baut auf einer bereits erfolgreichen Kooperation auf, in der die Erlanger Wissenschaftler zusammen mit israelischen Kollegen die technologischen Ansätze dieses Projektes entwickelt haben: intelligente Sensorarrays, die komplexe Gasgemische analysieren können. Die Wissenschaftler kombinierten dafür viele Sensorelemente, die unspezifisch auf viele Moleküle reagieren – aber jedes auf eine leicht andere Art.

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„Durch die Gesamtheit der Reaktionen aller Sensorelemente können wir dann auf ein bestimmtes Molekül rückschließen“, erklärt PD Dr. Silke Christiansen, Mitarbeiterin von Prof. Dr. Gerd Leuchs, Lehrstuhlinhaber für Experimentalphysik (Optik) an der FAU und Direktor am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts. Das Sensorkonzept haben die Forscher bereits erfolgreich für die Erkennung von Krebs erprobt – allerdings bisher mit einem Aufbau, der sich noch nicht für eine kostengünstige massentaugliche Herstellung eignete.

Zwei Herausforderungen: Miniaturisierung und Kompatibilität
Um ihre miniaturisierten Sensorarrays herzustellen, müssen die Forscher zwei Herausforderungen meistern. Zum einem müssen sie die drei Hauptkomponenten auf einen einzelnen Chip integrieren; die für Gase empfindlichen Sensoren, die Transistoren zur Verarbeitung der Signale und eine „künstliche Intelligenz“ in Form von neuronalen Netzen, die dann die komplexen Sensorsignalmuster verarbeiten und auswerten können. Zum anderen sind die Forscher bei der Wahl der Materialien eingeschränkt. „Um eine industrielle Massenfertigung zu gewährleisten, müssen die Sensorarrays in den bereits existierenden großen Fabrikstraßen zur industriellen Massenfertigung von Mikrochips hergestellt werden können, die auf bestimmte Herstellungsverfahren für Halbleiterbauelemente zugeschnitten sind. Um diese nutzen zu können, dürfen nur bestimmte Materialien verwendet werden, da fremde Komponenten solche Anlagen dauerhaft verunreinigen würden“, so Christiansen.

FAU: Expertin für Materialanalyse und -bearbeitung
An dem Projekt mit einem Gesamtumfang von 1,8 Millionen Euro arbeitet die FAU zusammen mit drei israelischen und einem deutschen Industriepartner: dem israelischen Halbleiterhersteller Tower Semiconductor, dem Technion in Haifa, der Tel Aviv University und dem deutschen Anlagenbauer für die Halbleiterfertigung, der Singulus Technologies AG in Kahl am Main. Die Wissenschaftler des Lehrstuhls für Experimentalphysik (Optik) bringen dabei ihr Know-how im Bereich der Materialanalyse und -bearbeitung ein. „Wir werden bei uns im Labor untersuchen, ob die verwendeten Materialien auch tatsächlich so funktionieren wie gewünscht, und wie die Herstellungsprozesse angepasst werden müssen, um korrekt funktionierende Sensorstrukturen zu erhalten“, erläutert Prof. Christiansen.

Des Weiteren werden die Wissenschaftler die verwendeten Materialien auch noch gezielt funktionalisieren: Auf die Trägerstruktur der Chips können dann zum Beispiel noch organische Moleküle für spezifische Sensoranwendungen aufgebracht werden, die für charakteristische Sensorantworten in speziellen Anwendungsfelder sorgen, beispielsweise für einen Einsatz in der Atemluft-Krebsdiagnostik oder für die Überwachung schädlicher Gase in der Umwelt oder an Arbeitsplätzen.

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