Sensorchip schnüffelt auf drei Ebenen

Viele organische Lösungsmittel sind unsichtbar, brennbar und Krebs erregend – drei Gründe, warum ihnen die Forscher heftig auf den Fersen sind. Ein Siliziumchip mit drei verschiedenen Sensoren soll hier die Suche künftig wesentlich erleichtern.

Eigentlich ist die menschliche Nase ein untrügliches Organ. Dennoch riecht sie nur wenige Gase, die in der Natur gefährlich sind, beispielsweise Schwefelwasserstoff. Kohlenmonoxid oder flüchtige organische Lösungsmittel können an ihr vorbeistreichen, ohne dass sie etwas merkt, geschweige denn ihren Besitzer alarmiert. In der chemischen Industrie und in anderen Branchen müssen deshalb spezielle Sensoren die flüchtigen Verbindungen aufspüren. Doch wegen der Unmenge organischer Substanzen ist ein Sensor allein als Spürhund meistens überfordert. Eine Forschergruppe um Prof. Henry Baltes vom Physical Electronics Laboratory der ETH Zürich hat nun einen Siliziumchip entwickelt, der erstmals drei verschiedene physikalische Eigenschaften auf einem Chip misst und analysiert – auf ein Milliardstel Gramm genau. Das gelingt ihnen mit einem massensensitiven, einem kapazitiven und einem kalorimetrischen Sensor.
Der massensensitive Sensor besteht aus einer hoch empfindlichen Waage, die mit einem Polymer beschichtet ist und aussieht wie eine kleine Zunge. Abhängig von der Masse und der Konzentration des Gases in der Luft saugt sich das Polymer wie ein Schwamm mit den Gasmolekülen voll. Dadurch wird es schwerer und die Zunge auf der Mini-Waage schwingt langsamer als ohne Gas.
Der zweite Sensor arbeitet wie ein Plattenkondensator und misst die Kapazitätsänderung, die ein Gas im Polymer bewirkt, das als Dielektrikum in den Kondensator eingebracht ist. Je nach Polarität des Gases beeinflusst es die Dielektrizitätskonstante der Polymerschicht auf dem Kondensator, so dass sich nach einigen Zehntelsekunden dessen Ladung messbar verändert.
„Sensor Nummer drei funktioniert fast wie ein kleines Thermometer“, erklärt der Zürcher Andreas Hierlemann. Wenn sich ein Gas in die Polymerschicht des Sensors einlagert oder sich wieder verflüchtigt, entsteht Kondensations- oder Verdampfungswärme. Das führt zu Temperaturänderungen von wenigen tausendstel Grad, die der Sensor erfasst.
Viele der gemessenen analogen Werte sind so niedrig, dass sie auf dem Chip zunächst verstärkt werden müssen. Anschließend werden sie in Digitalsignale gewandelt und über ein serielles Interface an einen Mikrocontroller oder Computer weitergegeben.
Die fertigen Sensorchips können in ein mobiles Messgerät eingebaut werden, das nicht größer ist als eine Butterdose. Es enthält neben einer Gaskonditionierungseinheit, den Sensoren und den Akkus noch einen elektronischen Katalog, in dem verschiedene Testgase mit ihren „Fingerabdrücken“ gespeichert sind. Sie dienen als Kalibrierungswerte, die von einem Mikrocontroller mit den gemessenen Werten verglichen werden.
„Innerhalb weniger Minuten wissen wir, welches Gas und wie viel davon sich in der Luft befindet“, sagt Hierlemann. Kompliziert wird es nur dann, wenn die Gase so enge chemische Verwandte sind, dass sich ihre Fingerabdrücke kaum voneinander unterscheiden lassen, wie beispielsweise Methanol und Ethanol. Oder wenn Gemische von mehreren Gasen am Chip vorbeistreichen. Deshalb nehmen die Forscher in einigen Fällen sechs oder noch mehr Sensorchips, von denen jeder mit unterschiedlichen Polymeren beschichtet ist.
„Da sich je nach chemischer Zusammensetzung des Polymers andere Gase in ihm lösen, kann man durch mehrere verschiedene Sensorchips etwa 20 bis 25 relevante Gase aufspüren“, so der Zürcher Wissenschaftler. Für jene Industriezweige, von denen man die freiwerdenden Gase bereits kennt, lassen sich die Sensorchips sogar mit den Polymeren beschichten, die die bekannten flüchtigen Substanzen am besten detektieren.
Zunächst sollen die Schnüffelchips in der chemischen Industrie, in Raffinerien und Brauereien genutzt werden. Dort warnen sie künftig als chemischer Spürhund immer dann, wenn gefährliche Gase in der Luft liegen oder die zulässigen Grenzwerte überschritten werden. SABINE GOLDHAHN