A HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetének (HUN-REN EK MFA) kutatói új típusú prototípuskészletet állítottak elő, amely az intézetben rendelkezésre álló kapacitással, háttértechnológiával és infrastruktúrával megfelelő alapot teremt a további technológiai fejlesztésekhez, ipari és védelmi alkalmazásokhoz. A projekt célja olyan integrált érzékelőtechnológiák létrehozása volt, amelyek szélsőséges vagy erősen terhelt környezetben is működőképesek, és alkalmasak különféle veszélyes anyagok, fizikai behatások vagy környezetbiztonsági paraméterek gyors és megbízható detektálására. A fejlesztések a HUN-REN EK-MFA tisztatéri és anyagvizsgálati infrastruktúrájára épültek, és három fő technológiai területre koncentráltak: vibroakusztikus érzékelésre, gázérzékelő rendszerekre, valamint sugárzásdetektálási megoldásokra. A projekt során az eredetileg vállalt kutatási és fejlesztési célok túlnyomó része megvalósult, a tervezett prototípusok elkészültek, több esetben a technológiai érettség meghaladta az eredeti vállalásokat, és a keletkezett kutatási eredmények mennyisége és minősége is felülmúlta a várakozásokat.
A szélsőséges körülmények között használható érzékelők fejlesztése alapvető fontosságú az ipari biztonság, a katasztrófavédelem és a környezetvédelem számára. Ezekben a helyzetekben –tűzben, füstben, magas hőmérsékleten vagy sugárzásnak kitett területeken– a hagyományos szenzorok gyorsan károsodhatnak, miközben a megbízható mérési adatok kritikusak. A projekt célja olyan integrált szenzortechnológiák kifejlesztése volt, amelyek ilyen környezetekben is működőképesek, kis sorozatban is legyárthatók, és alkalmasak különféle veszélyes anyagok vagy behatások gyors detektálására. A fejlesztések a HUN-REN EK-MFA kutatólaboratóriumának mikro- és nanotechnológiai infrastruktúrájára épültek
A kutatás három fő területet ölelt fel: i) gázérzékelő eszközök fejlesztését, ii) mechanikai és akusztikus hatásokra érzékeny vibroakusztikus szenzorok létrehozását, valamint iii) ionizáló sugárzás mérésére alkalmas kompakt detektorok kialakítását. Ezek mind más-más szempontból járulnak hozzá a környezetbiztonság és a kritikus infrastruktúrák felügyeletének javításához.
A gázérzékelés területén két, különböző elven működő eszközcsalád gyártástechnológiáját fejlesztettük ki. Az első egy több mikrofűtőelemmel integrált kemorezisztív mikroszenzor-chip, amely különböző nemesfém-katalizátorokkal kombinálva alkalmas mérgező gázok, például hidrogén-szulfid vagy ammónia kimutatására. A chiphez hordozható, Bluetooth-képes kiértékelő elektronika készült, amely terepi körülmények között is stabilan használható. A második technológia egy mikrocsatornás optikai (NDIR) gázdetektor, amely fotolitográfiával készült, tükröző bevonatú csatornában vezeti végig a fényt. A rendszer célja olyan kompakt, alacsony fogyasztású gázdetektor létrehozása, amely a nagy laboratóriumi NDIR műszerek működési elvét kisméretű eszközben alkalmazza. Az optikai és elektronikai integráció megtörtént, és a működési elv demonstrálása lezajlott.
A második irány a vibroakusztikus elven működő érzékelők fejlesztése volt. Ezek alkalmasak nagy hőmérsékletű, erősen terhelt vagy sugárzásnak kitett környezete monitorozására, ahol a hagyományos MEMS-alapú gyorsulásmérők már nem megbízhatók. A projektben GaN-alapú piezoelektromos struktúrák, valamint alacsony fogyasztású jelfeldolgozó áramkörök fejlesztése történt. A rendszer képes volt járművek osztályozására talajrezgés alapján és drónpozíció meghatározására, ami a kritikus infrastruktúrák védelmében jelenthet új alkalmazási lehetőséget.
A harmadik fejlesztési irány a sugárzás detektálás volt, amelynek részeként egy hordozható gamma-háttérsugárzásmérő prototípus készült el. Az eszköz rozsdamentes házzal, LoRaWAN-alapú kommunikációval és grafikus adatmegjelenítéssel rendelkezik, és autóra szerelve, illetve fixen telepítve is több hónapon át megbízhatóan működött. A kompakt kialakítás és a hosszú távú terepi tesztek alapján a prototípus alkalmas környezet monitorozásra, és a jövőben drón platformokra szerelhető változat is kialakítható.
A projekt eredményei azt mutatják, hogy a hazai mikro- és nanoszenzor-fejlesztés képes olyan prototípusok létrehozására, amelyek már most alkalmazhatóak bizonyos terepi környezetben, és jó alapot biztosítanak a további mérnöki fejlesztéshez vagy ipari együttműködésekhez. A létrehozott technológiák hozzájárulhatnak a vészhelyzeti beavatkozások támogatásához, az ipari folyamatok biztonságosabbá tételéhez, valamint a környezeti és infrastruktúra-monitorozás eszköztárának bővítéséhez.
A projektben előállított szerkezetek és szenzorok fejlesztéséhez és karakterizációjához kiemelt szerep jutott a HUN-REN EK MFA-ban található két – az NKFIH által Kiváló Kutatási Infrastruktúrának minősített – szervezeti egységének a Mikro- és Nanotechnológiai Kutatólaboratóriumnak, valamint Gömbi hiba korrigált transzmissziós elektronmikroszkóp labornak, ahol Magyarország egyetlen gömbi hiba korrigált Angström alatti felbontású HRTEM berendezése található. (https://nkfih.gov.hu/hivatalrol/hivatal-hirei/nemzeti-kutatasi-infrastruktura-2023-2024)
A TKP2021-NVA-03 számú Vészhelyzetben és szélsőséges körülmények között alkalmazható környezetmonitorozó szenzorok című projekt a Nemzeti Kutatási és Innovációs Alap támogatásával valósult meg.