Guter Riecher

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Keine Maschine oder technische Vorrichtung kann bislang dem Geruchssinn von Mensch oder Tier das Wasser reichen. Doch ist es vielleicht nur eine Frage der Zeit, bis zumindest bei manchen Anwendungen ein Silicium-Sensor die Nase vorn hat. Immerhin konnten jetzt Forscher drei Detektorelemente zusammen mit einer Steuerelektronik auf einem kleinen Silicium-Chip vereinigen, um damit Gase nachzuweisen und deren Konzentrationen zu bestimmen.

Thorsten Krome

Sensor-Chip — © Hielemann et al/ETH Zürich (Ausschnitt)

Unser Riechorgan warnt uns eindringlich, bevor wir uns ranzige Butter aufs Brot schmieren. Und auch vor brenzligen Gefahren schlägt es Alarm: Denn der Geruch von Verbranntem steigt uns oftmals schon in die Nase, ehe wir das Feuer überhaupt sehen oder gar seine Wärme spüren. Kleinste Konzentrationen reichen zur Wahrnehmung. Aber das giftige Kohlenmonoxid beispielsweise riechen wir nicht. Hier müssen elektronische Sensoren aushelfen.

Das funktioniert auch ganz gut, solange man sich auf einige wenige Gase konzentriert – denn universelle Sensoren, wie unsere Nase, gibt es kaum. Das könnte sich in Zukunft aber ändern, denn Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) konnten nun einen Mikrochip herstellen, der gleich drei verschiedenartige Sensoren beherbergt. Mit jedem lässt sich eine bestimmte Stoffeigenschaft untersuchen, sodass die Ergebnisse aller drei Sensoren ein charakteristisches Signal für das jeweilige Gas liefern. Eine ebenfalls integrierte Elektronik auf dem sieben mal sieben Millimeter großen Chip übernimmt den dafür nötigen Rechenaufwand, und eine digitale Schnittstelle reicht die Informationen schließlich an einen Computer oder externe Elektronik weiter.

Der genaue Aufbau des Analysesystems sieht folgendermaßen aus: Jeder der drei Sensoren ist mit Polymeren beschichtet, die wie ein Schwamm Gasmoleküle aus der Luft aufsaugen und einlagern. Dies geschieht jedoch nicht über eine chemische Bindung, vielmehr lässt eine rein physikalische Wechselwirkung die Moleküle haften und sorgt so für veränderte Polymereigenschaften.

Der erste der drei Sensoren – eine frei schwingende Silicium-Zunge – misst dabei nichts anderes als den Massezuwachs, der durch die Einlagerung entsteht. Denn dadurch ändert sich auch die Resonanzfrequenz der Zunge, was sich sehr empfindlich feststellen lässt. Massenänderungen von weniger als einem Pikogramm kann man so detektieren.

Der zweite Sensortyp reagiert auf Temperaturänderungen. Denn wenn sich ein Molekül in das Polymer einlagert, wird Wärme frei, die wiederum proportional zur gemessenen Thermospannung ist. Im Gegensatz dazu bedarf es Wärme, um das Gasmolekül wieder aus dem Polymer zu entfernen. Letzteres kennt jeder vom Schwitzen: Wenn die kleinen Schweißperlen verdunsten, kühlt das die Haut. Der gegenteilige Effekt ist beispielsweise dafür verantwortlich, dass man sich an Wasserdampf die Finger verbrennt.

Schließlich stellt der dritte Mikrosensor die Änderung der elektrischen Kapazität fest, denn das Polymer befindet sich in diesem Fall zwischen den beiden Elektroden eines Kondensators. Deshalb reagiert dieser Sensor auch besonders empfindlich auf polare Moleküle wie Wasser oder Alkohole.

Je nach Polymerkombination auf den verschiedenen Sensortypen lässt sich nun die Empfindlichkeit auf bestimmte Gase einstellen. Außerdem lassen sich mehrere, mit verschiedenen Polymeren beschichtete Sensorchips zusammenschalten, um mehr Informationen über ein Gasgemisch zu erhalten. Das Signalmuster muss jedenfalls von einem Mustererkennungsalgorithmus ausgewertet werden, den man vorher auf bestimmte Gase trainiert hat. Die Signalhöhe gibt dabei direkt Aufschluss über die Anzahl der Moleküle und damit über die jeweilige Gas-Konzentration in der Raumluft.

Wenngleich dieses System schon gute Leistungen vollbringt, so darf man doch keine Wunder erwarten: "Das Gerät weist nur Gruppenselektivität auf", schränkt Miterfinder Andreas Hierlemann von der ETH ein und meint damit, dass sich zwar Alkohole von Aromaten oder Aromate von Alkanen unterscheiden lassen, nicht jedoch die beiden Alkohole Methanol und Ethanol voneinander. Ferner darf das Gasgemisch nicht zu komplex werden, denn dann wird die Zuordnung schwierig.

An potenziellen Einsatzmöglichkeiten mangelt es dem Sensorchip jedenfalls nicht: Ob als Detektor für krebserregende Gase aus Reinigungsanlagen oder als Kontrolleur bei der Biergärung – der Anwendungen gibt es viele. Und vor allem da, wo die menschliche Nase nichts wahrnimmt, könnte der Sensor in die Bresche springen. Doch wird es noch etwas dauern, bis es soweit ist. Denn laut Hielemann müsse man noch weitere zwei bis drei Jahre an dem Produkt feilen, bis es schließlich auf den Markt kommt.