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Innovatives tragbares Gerät zur Erfassung der Luftqualität im Innen- und Außenbereich

EU-finanzierte Forscher haben ein weltweit einzigartiges tragbares Multisensor-Gerät entwickelt, das eine Vielzahl von Sensoren umfasst. Mit neuer hochentwickelter Sensortechnologie lassen sich unsichtbare Schadstoffe finden und messen, die unserer Gesundheit schaden und das Klima verändern. Diese können auch Licht erspüren oder Temperatur und Luftfeuchtigkeit messen.

Digitale Wirtschaft

Luftverschmutzung stellt ein erhebliches Umweltrisiko für die Gesundheit dar und betrifft alle Menschen in Industrie- und Entwicklungsländern. Verschmutzung der Umgebungsluft, mit aus hohen Fein- und Feinstaubkonzentrationen, ist das größte Umweltrisiko für die Gesundheit und verursacht jedes Jahr mehr als 3 Millionen vorzeitige Todesfälle weltweit. Luftverschmutzung in Innenräumen kann die die menschliche Gesundheit gleichermaßen belasten. Damit in Zusammenhang stehen etwa 2 Millionen vorzeitige Todesfälle, vor allem in den Entwicklungsländern. Die Exposition gegenüber Luftschadstoffen liegt jedoch eindeutig außerhalb der Kontrolle einzelner Personen. Bislang gab es auf dem Markt kein System zur persönlichen Überwachung der Luft und zum Screening potenzieller Gefahren für die Umwelt.   Mit dem EU-geförderten Projekt MSP (Multi-sensor-platform for smart building management) haben Forscher erfolgreich neue 3D-integrierte Multisensorsysteme entwickelt, um dieses enorme Problem zu bekämpfen. Die Funktionen des MSP Multisensorsystems können schädliche und toxische Gase, Partikel und ultrafeine Partikel erkennen, Infrarot-, sichtbares und ultraviolettes Licht erkennen sowie Temperatur und Luftfeuchtigkeit messen.   Auf dem Weg zu einer mobilen Umweltüberwachungsstation   „Der MSP-Demonstrator verfügt über eine Vielzahl von hochentwickelten Gassensoren  auf Basis von Nanodrähten, Nanopartikeln und Graphen sowie optische Sensoren für ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht“, sagt Projektkoordinator Anton Köck. Das System ist in einem tragbaren Armband implementiert und umfasst insgesamt 57 Sensoren, von denen 52 Gassensoren sind. Mit diesen Informationen bewaffnet, suchen die Träger des Armbandes nach sauberer Luft, indem sie eine bestimmte Straße nehmen oder das Fenster in einem verrauchten Raum öffnen. Ausgerüstet mit einem solchen Werkzeug können die Träger ihre eigene Umgebung beurteilen und Maßnahmen ergreifen, um sie bei Bedarf zu verbessern.   Nanotechnologie-Sensoren treffen auf konventionelle Elektronik   Das Projekt entwickelte wettbewerbsfähige Produktionstechnologien, die eine flexible Integration von Nano-Sensoren auf herkömmlichen elektronischen Chips ermöglichen. Um die gewünschten Geräteanforderungen zu erfüllen, wie z. B. hohe Leistung, geringer Stromverbrauch und geringer Platzbedarf, nutzten die Forscher die TSV-Technologie (through-silicon via), die den Baustein für 3D-integrierte Schaltungen darstellt. TSV sind Löcher, die in einem Siliziumwafer unter Verwendung eines Ätzprozesses erzeugt werden. Verbindungen wurden gebildet, indem diese Löcher mit Wolfram gefüllt wurden.   „Nicht alle Geräte basieren jedoch auf CMOS-Technologie. Dies hat die Forscher dazu gebracht, einen gemischten Ansatz, mit einer Kombination aus Drahtanschluss und TSV-Ansatz, zu verfolgen, was ein großes Problem für den Umspritzprozess war“, erklärt Köck. Die Forscher verwendeten TSV-Technologie für die Sensoren für Gas, Temperatur und sichtbares Licht. Für andere Arten von Gassensoren, einschließlich der Infrarot- und Ultraviolett-Sensoren, wurde eine Drahtbond-Technologie verwendet.   Luftqualitätssensoren in Smartphones und intelligenten Häusern   MSP entwickelte eine Vielzahl von hochentwickelten Sensoren als Elemente einer Toolbox, die eine hochflexible Plug-and-Play-3D-Integration dieser Sensoren in miniaturisierte Smart-Systeme mit deutlich erweiterten Funktionalitäten ermöglicht. Dieser Ansatz sollte dem Kunden eine hohe Flexibilität bei der Entwicklung von Multisensorsystemen bieten.   MSP konzentrierte sich von Anfang an auf die Entwicklung innovativer intelligenter Multisensorsysteme zur Überwachung der Innen- und Außenluftqualität. Andere mögliche Anwendungen sind intelligentes Gebäudemanagement, intelligente Häuser und Unterhaltungselektronik. Eine intelligente Luftqualitätsüberwachung mit Sensoren für Feinstaub, Kohlendioxid, Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die auf Smartphones, Tablets oder in intelligenten Häusern zur Verfügung stehen, kann für Menschen mit Asthma oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen von besonderem Nutzen sein.

Schlüsselbegriffe

Tragbares Gerät, Innen-, Außen-, Luftqualität, MSP, Gassensoren, 3D-Integration

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