Versprühte Mikrosensoren im Schwarm

  • 24. July 2018

Sensor, Speicher und Photodiode aus zweidimensionalen Materialien kombiniert.

Aus zweidimensionalen Materialien lassen sich komplexe und hoch effiziente Schalt­kreise ohne Silizium fertigen. Auf dieser Erkenntnis baut die Arbeits­gruppe um Michael Strano am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge auf. Die Wissen­schaftler konzipierten und bauten Mikro­meter kleine Sensor­chips, die in der Luft versprüht zuverlässig Ruß­partikel und chemische Substanzen nach­weisen und das Mess­ergebnis sogar elektronisch speichern konnten. Damit legen sie eine Grund­lage für Schwärme winziger Sensoren, die für genauere Diagnosen in Zukunft ein­geatmet oder in Blut­bahnen injiziert werden könnten. Auch technische Anwendungen zum Umwelt­monitoring, in Pipe­lines oder in Reaktoren der chemischen Industrie sind vorstellbar.

Abb.: Illustratierter Aufbau der winzigen Sensor­module mit Photo­diode und Memristor­einheit (Bild: V. B. Koman et al., MIT)

Abb.: Illustratierter Aufbau der winzigen Sensor­module mit Photo­diode und Memristor­einheit (Bild: V. B. Koman et al., MIT)

Konventionelle Elektronik auf Siliziumbasis lässt sich zwar auch als Basis für Sensoren nutzen. Doch ist bei diesen der Energie­bedarf für einen autarken Betrieb zu hoch. Schalt­kreise auf der Basis zwei­dimensionaler Materialien kommen mit deutlich geringeren Spannungen und Strom­flüssen aus. Zudem sind sie stabil genug, um verteilt in der Luft zuverlässig zu funktionieren. Strano und seine Kollegen deponierten nun wenige Mikro­meter dünne Schichten aus Graphen, Bor­nitrid, Molybdän­disulfid, Wolfram­dieselenid, Silber und Gold auf einer flexiblen Kunststoff­unterlage. Mit litho­grafischen Methoden entstanden über mehrere Arbeits­schritte elektronische Module mit Sensor, einer Photo­diode als Strom­quelle und einem Mem­ristor als digitale Speicher­einheit. Diese Module lösten die Forscher nach der Produktion von einem Substrat ab und verteilten sie gleich­mäßig in einer Flüssigkeit.

Mit einem Zerstäuber ließen sich diese Module in einem gläsernen, etwa sechzig Zenti­meter langem Zylinder fein verteilen. Dabei erreichten sie Geschwindig­keiten von bis zu zehn Meter pro Sekunde. Senkrecht zur Flug­richtung der Module injizierten die Forscher entweder Ruß­partikel oder wässrige Tröpfchen mit Ammoniak oder dem Lösungs­mittel Triethylamin. Trafen diese Substanzen auf ein Modul, dockten einzelne Partikel an die Sensor­einheit des Moduls an. Dadurch wurden dessen elektronischen Eigenschaften verändert. Schließlich trafen die Module am hinteren Ende des Glas­zylinders auf eine Kollektor­fläche, an der sie haften blieben.

Abb.:  Mikroskop­aufnahme der filigranen Sensor­module aus zwei­dimensionalen Materialien wie Graphen oder Molybdän­disulfid (Bild: V. B. Koman et al., MIT)

Abb.: Mikroskop­aufnahme der filigranen Sensor­module aus zwei­dimensionalen Materialien wie Graphen oder Molybdän­disulfid (Bild: V. B. Koman et al., MIT)

Beim Andocken der nachzuweisenden Substanzen reduzierte sich der elektrische Wider­stand der Sensor­einheit. Die Leit­fähigkeit verdoppelte sich von etwa neun Nano­siemens auf knapp 18 Nano­siemens. Nachdem hunderte Module auf der Kollektor­fläche hafteten, konnten sie mit einem Laser­strahl (532 Nanometer Wellenlänge) abgetastet und aus­gewertet werden. Im Laser­licht erzeugte dazu die integrierte Photo­diode in jedem Modul einen winzigen Strom­fluss mit knapp 0,3 Volt Spannung und einer Strom­stärke von 0,15 Mikro­ampere. Das reichte aus, um den im Modul integrierten Mem­ristor zu einem digitalen Schalt­prozess anzuregen.

Wurde nun während des Flugs ein Ruß-, Ammoniak- oder Tri­ethylamin­teilchen eingefangen, schaltete der Mem­ristor in einen Zustand mit geringem elektrischen Wider­stand. Die Leit­fähigkeit des Mem­ristors sprang von geringen 15 auf gut 400 Nano­siemens. Ohne eingefangenes Teilchen blieb diese Leit­fähigkeit jedoch unverändert. Genau dieser Unterschied ließ sich während des Abtastens mit dem Laser Modul für Modul messen. Alle Mess­daten zusammen ergaben einen genauen Wert für die Ruß- oder Chemikalien-Konzentration.

Abb.: Mit einem Zerstäuber lassen sich winzige elektronische Sensor­module in der Luft verteilen, um Schad­stoffe exakt zu messen. (Bild: V. B. Koman et al., MIT)

Abb.: Mit einem Zerstäuber lassen sich winzige elektronische Sensor­module in der Luft verteilen, um Schad­stoffe exakt zu messen. (Bild: V. B. Koman et al., MIT)

Mit diesem Experiment belegten die Forscher prinzipiell, dass fein versprühte Module als elektronische Sensoren für chemische Substanzen geeignet sind. Bevor diese Module eingeatmet oder gar in Blut­bahnen injiziert werden könnten, müssen sie allerdings noch deutlich schrumpfen. Parallel ist es notwendig, eine gute Verträglich­keit für den Patienten ohne nennens­werte Neben­wirkungen nachzuweisen. Technische Anwendungen dieser Sensoren aus der Sprüh­dose etwa für Schad­stoff­messungen in der Luft oder in Gas­pipelines könnten wahrscheinlich schon früher möglich werden.

„Und wir wollen die Vielfalt an elektronischen Komponenten mit geringem Strom­bedarf noch erweitern“, sagt Stranos Mitarbeiter Volodymyr B. Koman. In Zukunft sollen die Module im Schwarm agieren und eine Art „Smart Dust“, intelligentem Staub, bilden. Komplexere Messungen als heute wären dann möglich, bei denen die Module auch mit­einander interagieren und ihre Messdaten schnurlos an eine zentrale Empfangs­station senden könnten.

Jan Oliver Löfken

DE

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