Materialforschung
Miniaturisierte Sensoren für das Qualitäts-Monitoring
Am Institut für Integrierte Sensorsysteme der ÖAW wird ein Sensor entwickelt, mit dem die thermische Leifähigkeit von Flüssigkeiten quantifiziert werden soll. Er könnte unter anderem für die Qualitäts-Überwachung von Motor- und Industrieölen eingesetzt werden.
In der Regel sollte ein Auto alle ein bis eineinhalb Jahre einen Ölwechsel bekommen. Wird dieser verabsäumt, droht im schlimmsten Fall ein Motorschaden. Der Grund: Motoröl verliert mit der Zeit seine Qualität. Wann der optimale Zeitpunkt für einen Ölwechsel gekommen ist, lässt sich nur durch regelmäßige Qualitätsmessungen ermitteln. Am Institut für Integrierte Sensorsysteme der ÖAW arbeiten Forscher an der Entwicklung eines Sensors, der das zuverlässig kann. Denn wenn sich Öl verändert, verändert sich auch seine thermische Leitfähigkeit. Mit Hilfe so genannter thermischer Leitfähigkeitssensoren lässt sich also die Qualität von Ölen überwachen.
"Das Herzstück unserer Sensoren ist eine hochauflösende Temperaturmessung, die mit Hilfe von Dünnfilmstrukturen basierend auf modernen, mikromechanischen Fertigungsmethoden realisiert wird", sagt Franz Kohl, Senior Researcher am ÖAW-Institut für Integrierte Sensorsysteme. Über diese Temperaturmessung können kleinste Temperaturschwankungen registriert werden. Damit lässt sich indirekt auf die thermische Leitfähigkeit schließen.
Hochsensitive Messung durch geschicktes Design
Wesentliche Herausforderung für die Forscher war, durch geschicktes Sensordesign das Messergebnis verfälschende Störfaktoren möglichst auszuschalten.
Abbildung links: Der am ÖAW-Institut für Integrierte Sensorsysteme entwickelte Sensor zur Messung der thermischen Leitfähigkeit besteht aus einem Silizium-Chip, der eine Membran aus Siliziumnitrid trägt. In diese Membran sind hochauflösende Temperatursensoren eingebettet, zwischen denen sich ein Heizer aus Chrom befindet, wobei durch einen zusätzlichen Fertigungsschritt diese Membran perforiert wird. Wird der Sensor in eine ruhende Flüssigkeit oder Gas getaucht und der Heizer aktiviert, führt das zu einem Wärmetransfer zwischen dem Heizer und den Temperatursensoren. Durch geschicktes Sensordesign kann sichergestellt werden, dass der resultierende Diffusionsprozess hauptsächlich durch die thermischen Eigenschaften der Flüssigkeit oder des Gases bestimmt ist und somit für deren Messung herangezogen werden kann. Grafik: IISS
"Unser Design erlaubt weiterhin eine sehr effiziente Implementierung der Messdatenauswertung in einem Signalprozessor oder einem Custom-Chip", erläutert Kohl. "Erste Tests zeigten auch die prinzipielle Machbarkeit einer Echtzeitmessung an strömenden Gasen." Bei der Entwicklung des Sensors müssen die Forscher besonderes Augenmerk auf jene Membrane richten, die den aktiven Sensorbereich, auf dem die eigentlichen Messelemente implementiert sind, vom Trägerbereich trennt. Die Membran dient dazu die beiden Bereiche thermisch zu entkoppeln: "Dadurch können kurze Ansprechzeit und hohe Sensitivität gleichzeitig erreicht werden", erklärt Kohl. Gleichzeitig müssen die Forscher jedoch den Einfluss, den die Membran selbst auf die Messung der thermischen Leitfähigkeit haben kann, quantifizieren. Kohl: "Die von uns entwickelte Methode zur Bestimmung der thermischen Dünnfilmparameter solcher Membrane hat sich mittlerweile auch bei zahlreichen Forschungspartnern als Methode der Wahl etabliert."
Anwendung im Qualitäts-Monitoring
Noch befindet sich der am ÖAW-Institut für Integrierte Sensorsysteme entwickelte thermische Leitfähigkeitssensor in der Grundlagenforschungsphase. "Wir rechnen mit einer Time-to-Market-Phase von fünf bis zehn Jahren", so Kohl. Eine Entwicklungszeit, die sich rechnen wird: Durch eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung von Motorölen lassen sich nicht nur Motorschäden durch mangelhaftes Öl verhindern, auch die Umwelt wird geschont, da ein zu früher Ölwechsel vermieden werden kann. In der Industrie kann Qualitäts-Monitoring helfen Kosten zu sparen und sogar zur Sicherheit des Personals beitragen. So wird in großen Transformatoranlagen Öl als Isolationsmaterial eingesetzt: "Als direkte Folge des Alterungsprozesses steigt der Wassergehalt im Öl, was zur Reduktion der Durchschlagsspannung und zu elektrischen Durchschlägen führen kann, gefolgt von hohen Reparaturkosten oder lebensbedrohlichen Situationen für das involvierte Wartungspersonal", betont Kohl. Da die thermische Leitfähigkeit sehr stark mit dem Wassergehalt im Öl korreliert, würde sich auch hier der Einsatz der Sensoren als mögliche Überwachungslösung anbieten.
Untersuchungswerkzeug für die Medizin
Und auch in der Medizin könnten die Sensoren Verwendung finden. Vor allem in der Pulmologie sieht Kohl großes Anwendungspotenzial: "Unsere Sensoren zeichnen sich bei Herstellung sehr großer Stückzahlen durch sehr geringe Fertigungspreise aus. Dadurch wären kostengünstige, wegwerfbare Mundstücke mit integriertem Sensor - inklusive Elektronik zur drahtlosen Datenübertragung an einen Computer - zur Messung des Lungenvolumens von Patienten denkbar." Damit hätte die Medizin ein zu 100 Prozent steriles Untersuchungswerkzeug in der Hand, das nach Gebrauch einfach entsorgt werden kann.
Kontakt:
DI Dr. Franz Kohl
Institut für Integrierte Sensorsysteme (IISS)
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Viktor Kaplan Straße 2, 2700 Wiener Neustadt
T +43 2622 23420-21
franz.kohl@oeaw.ac.at
www.oeaw.ac.at/iiss
Dezember 2011