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Der Sensor ist kleiner als zwei übereinandergestapelte Ein-Cent-Münzen © APA/TU GRAZ/HELMUT LUNGHAMMER
Der Sensor ist kleiner als zwei übereinandergestapelte Ein-Cent-Münzen © APA/TU GRAZ/HELMUT LUNGHAMMER

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Feinstaubmessung: Winziger Partikelsensor für Wearables aus Graz

24.09.2020

Feinstäube belasten nicht nur die Luft, sondern vor allem die Gesundheit, wenn sie in die Lunge oder in den Blutkreislauf eintreten. Forscher der TU Graz haben gemeinsam mit dem steirischen Halbleiterhersteller ams und den Silicon Austria Labs (SAL) einen extrem miniaturisierten Sensor für smarte Produkte entwickelt, die Nutzer in Echtzeit über den Feinstaubgehalt der Luft informieren und bei erhöhten Werten warnen könnten.

Feinstaub mit nur wenigen Mikrometer kleinen Partikeln entsteht vorwiegend durch Verbrennungsprozesse etwa in Kraftfahrzeugen, Heizungen oder auch durch Reifenabrieb. In den Wintermonaten können die Konzentrationen in urbanen Ballungszentren erheblich ansteigen und die Gesundheit belasten. Extrem kleine Sensoren, die in Mikrochips integriert werden, können kleine am Körper tragbare, vernetzte Computer (Wearables) wie etwa Smartwatches, Armbänder oder auch Smartphones so "sensibel" machen, dass sie die Luftqualität in unmittelbaren Umgebung des Trägers überwachen und Schadstoffe detektieren können. Ein entsprechender, sehr kleiner Mess-Sensor wurde in einer steirischen Forschungskooperation entwickelt, wie die TU Graz mitteilte.

Kleiner Sensor passt in viele Geräte

Der Sensor ist etwas kleiner als zwei übereinandergestapelte Ein-Cent-Münzen. Mit einer Dimension von zwölf mal neun mal drei Millimeter soll er in unterschiedlichen mobilen Endgeräten Platz finden. Paul Maierhofer hat ihn im Rahmen seiner Dissertation am Institut für Elektrische Messtechnik und Sensorik der TU Graz gemeinsam mit Fachleuten des Halbleiterherstellers ams und mit Experten von SAL entwickelt. Laut den Grazern zählt er zu den kleinsten Partikelsensoren überhaupt: "Alles was bisher kommerzialisiert wurde, ist deutlich größer und bewegt sich in der Größe von zwei bis drei Streichholzschachteln", wie Maierhofer im Gespräch mit der APA sagte.

Als Ausgangspunkt dienten bekannte Verfahren konventioneller Messgeräte sowie moderne Fertigungs- und Integrationsmethoden, die das Projektteam zu dem innovativen miniaturisierten Partikelsensor zusammenführte. "Der Sensor bewegt sich genau an der Grenze des physikalisch und technisch Machbaren und beinhaltet eine Menge Kniffe, um in dieser Größe zu funktionieren", erklärte Maierhofer.

Überwachung der Luftqualität

Für die Grazer Forscher liegt der gesellschaftliche Nutzen auf der Hand: Mithilfe von in die Kleidung integrierten oder unmittelbar am Körper getragenen, intelligenten elektronischen Kleinsystemen, die mit dem neuen Partikelsensor ausgestattet sind, kann der Träger bei Warnmeldungen sofort reagieren. "Etwa, indem beim Joggen oder auf dem täglichen Weg in die Arbeit besonders belastete Strecken gemieden werden", führte Alexander Bergmann, Leiter des Instituts für Elektrische Messtechnik und Sensorik der TU Graz aus, der den jungen Forscher bei seiner Doktorarbeit betreute.

Der Sensor könne neben den Wearables auch in lokale Anwendungen - sowohl im Haushalt als auch im Freien - integriert werden und eine Vielzahl an Messwerten liefern. Bergmann zeigte sich überzeugt davon, dass eine Zäsur in der Luftgüteüberwachung erreicht wurde: "Eine engmaschige und flächendeckende Überwachung der Luftqualität scheiterte bisher an der Größe, der Komplexität und an den Kosten aktuell verfügbarer Messsensoren. Hier schließt unser Partikelsensor eine Lücke." Der für seine Hochleistungssensor-Lösungen bekannten Halbleiterhersteller ams mit Sitz im steirischen Premstätten strebt die Serienfertigung an. Man will dadurch einen Preis erreichen, der deutlich unter den derzeit verfügbaren Sensoren liegt.

Das Institut für Elektrische Messtechnik und Sensorik der TU Graz zählt laut eigenen Angaben zu den weltweit führenden Einrichtungen im Bereich der Partikelmessung. Seine Forschenden wirken auf EU-Ebene in mehreren Horizon 2020-Projekten mit.

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