Vészhelyzetben és szélsőséges körülmények között alkalmazható környezetmonitorozó szenzorok (VOX)

Home Kutatás Projektek Vészhelyzetben és szélsőséges körülmények között alkalmazható környezetmonitorozó szenzorok (VOX)

Projekt megnevezése: Vészhelyzetben és szélsőséges körülmények között alkalmazható környezetmonitorozó szenzorok

Támogató: Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Hivatal
Kedvezményezett: HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont
Projekt azonosító: TKP2021-NVA-03
Témavezető: Dr. Volk János
A projekt támogatásának összege: 297 431 062 Ft
Támogatásintenzitás: 100%
Futamidő: 2022.04.01-2025.09.30

A projekt céljai:

A projekt keretében olyan szenzorokat fejlesztünk, amelyek mindennapi biztonságunkat, nemzetgazdasági szempontból értékes infrastruktúráink védelmét, természeti és épített környezetünk megóvását szolgálják.  Az eszközök vészhelyzetben, szélsőséges körülmények között is működőképesek, kis méretük és korlátozott energiafogyasztásuk révén távirányított járművekre (robot, drón) szerelve alkalmasak a veszélyforrás helyének felderítése, ill. hordozható kivitelben a kárelhárítás során személyi riasztóeszközént szolgálhatnak.

Célunk három, a környezetet monitorozó szenzorcsalád meghatározó elemeinek a kifejlesztése: i) a működéshez szükséges energiát a környezetből kinyerő, mechanikai rezgéseket mérő autonóm eszközök hálózata dedikált kommunikációs rendszerrel; ii) hordozható, gamma- és neutron sugárzásmérők; továbbá iii) katasztrófák során a leggyakrabban környezetbe kerülő gázok detektálására szolgáló miniatürizált infravörös abszorpciós elven működő és egyszerűbb szilárdtest gázérzékelők elemei, ill. az azokból épített műszerek.  Ehhez a kutatóközpont hazai szinten unikális technológiai és analitikai infrastruktúráját és felhasználva új típusú funkcionális anyagok kutatásával, új mikro- és nanotechnológiai eljárások kidolgozásával, ill. honosításával érzékelő szerkezeteket állítunk elő és saját tervezésű elektronikába beágyazva laboratóriumi demonstrációs eszközökkel és prototípusokkal mutatjuk be működésüket. A K+F munkát nemzetközi szinten elismert anyagvizsgálati-analitikai munkacsoportunk támogatja. 

A projekt stratégiai célja, hogy a hazai kutatási és KKV környezetnek leginkább megfelelő, specializált és igényesebb műszerek piacán hozzájáruljunk a hazai műszergyártó KKV szektor kiépítéséhez és a magasan kvalifikált szakemberek képzéséhez.

Eredmények (2024.04)

F1.1) Autonóm gépállapotfigyelő hálózat             

  • Továbbfejlesztettük és teszteltük az energiagyűjtővel ellátott VibrAn 1 rendszert. Felmértük az alkalmazott chipek és saját RF kommunikáció korlátait

F1.2) Frekvenciaszelektív piezo-MEMS gyorsulásmérő

  • Kidolgoztuk a ScAlN porlasztási technológiáját a piezoelektromos MEMS szenzorok számára
  • A funkcionális vékonyrétegek sorát ALD-vel leválasztott VO2-vel bővítettük  
  • Megterveztük és legyártottuk a frekvenciaszelektív méréshez szükséges piezo-MEMS és VO2 nanorés struktúrákat

F1.3) Poláros félvezető alapú rezgésérzékelő

  • Új technológiát dolgoztunk ki az AlGaN/GaN regőnyelvek legyártására 

F1.4) Ultrakisfogyasztású infrastruktúra monitorozó jeladó

  • Specifikáltuk egy második, lényegesen kisebb méretű (35 mm átmérőjű korong), megterveztük a NYÁK-ot, beültettük a megrendelt alkatrészeket, elkészítettük a firmware-t és kiértékelő szoftvert és rázópadon teszteltük az eszközt    

F2.1.1) 2 és 3 hullámhosszú NIR LED és Si izzószál             

  • Modelleztük és megterveztük az optikai érzékeléshez használatos 3, ill. 4 hullámhosszon sugárzó NIR LED szerkezetét, ill. gyártástechnológiáját és
  • Előállítottuk ezeket a chipeket

F2.1.2-2.1.3) Mikroméretű abszorpciós csatorna és feladatspecifikus abszorpciós érzékelő               

  • Felmértük a piacon kapható alternatív eszközök paramétereit, melyet ki akarunk váltani saját fejlesztésű eszközzel
  • Előkísérleteket végeztünk az eszköz szükséges elemeinek meghatározásához és a várható érzékenyéghez
  • Megterveztük az eszköz ananalóg változatát, melyet saját és vásárolt elemekből megépítettünk, beleértve az elektronikát is
  • Megterveztük és előállítottuk a miniatürizált digitális változat első próbadarabját
  • A mérések alapján módosított, kicsinyített változatot építettünk

F2.2.1) Univerzális platform és eszközök kemorezisztív érzékelők fejlesztéséhez   

  • Megterveztük az alapchipet, mely 3 db érzékelőt tartalmaz
  • A Si gyártósoron legyártottuk a chipek első sorozatát
  • Megterveztük és előállítottuk az érzékelő réteg leválasztásához szükséges Si és műanyag tartó, ill. maszkoló chipeket

F2.2.2) Érzékelő szerkezet 2 gázra + elektronika  

  • Specifikáltuk a megvalósítani kívánt érzékelők paramétereit

F3.1) Mobil gamma sugárzásmérő           

  • Megterveztük a mobil gamma sugárzásmérőt
  • A megrendelt alkatrészekből és Geiger-Müller számlálókból összeállítottuk az elektronikát
  • Az elektronika felprogramozása megtörtént
  • Kiértékelőszoftver megírása és
  • Terepi tesztek megkezdődtek

F3.2.1) Megfelelő minőségű 10B4C és 10B neutron abszorbens rétegek előállítása, vizsgálata               

  • Kidolgoztuk a bór karbid anyagcsalád porlasztási technológiáját neutron abszorbens rétegek előállításának céljából.
  • Meghatároztuk a rétegek szerkezetét, atomi összetételét, sűrűségét és vastagságát, azaz a detektor hatékony működését meghatározó, optimalizálandó paramétereket.
  • Abszorpciós tesztméréseket végeztünk hidegneutron forrással.

F3.2.3) Dióda alapú detektor struktúrák fejlesztése          

  • Ionolumineszcencia teszteket végeztünk zafír (Al2O3) és kvarc (SiO2) mintákon a fényhozamok becslésének céljából.
  • Javítottunk a zafír szcintillációs tulajdonságain és fényhozamának stabilitásán.

MCs4) Anyagtechnológiai vizsgálatok     

  • A projekt keretében több mint 50 keresztmetszeti TEM lamella vizsgálatát végeztük el a projekt első két évében.
  • A projekt eddigi szakaszában két fejlesztés részesült jelentősebb támogatásban az Anyagtechnológiai vizsgálatok terén (Kémiai gázérzékelők fejlesztése, valamint a Frekvenciaszelektív piezo-MEMS gyorsulásmérők fejlesztése).

Demonstrációs fázisban van, illetve prototípusként már elkészült:

  • Autonóm gépállapotfelügyelő hálózat  
  • Több hullámhosszon sugárzó NIR LED  
  • Univerzális kemorezisztív platform  
  • Mobil gamma sugárzásmérő  

Sajtóközleményt adtunk ki az eddigi eredményekről: https://www.mfa.kfki.hu/wp-content/uploads/2024/04/TKP2021-NVA-03-EKMFA_-Sajtokozlemeny-hu-final.pdf

2025.11.26-i állapot:

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 projekt zárásakor egy olyan prototípuskészlet és kísérleti tapasztalat áll rendelkezésre, amely megfelelő alapot teremt a további technológiai fejlesztésekhez, ipari és védelmi alkalmazásokhoz. A projekt több területen is meghaladta a kezdeti terveket, és olyan eredményeket hozott, amelyek a következő években új kutatási irányokat és fejlesztéseket alapozhatnak meg. A létrehozott szenzortechnológiák technológiai érettsége több esetben elérte vagy meghaladta a demonstrációs szintet, és valamennyi fejlesztési irányban sikerült olyan módszereket és gyártástechnológiai megoldásokat kialakítani, amelyek hosszú távon is beépíthetők a laboratórium fejlesztési portfóliójába.

A projekt előrehaladása során több alkalommal kaptunk konkrét érdeklődést a védelmi szektorból, különösen az akusztikus dróndetektálás, a mobil háttérsugárzás-mérés és a kompakt gázdetektorok területén. Ezek a megkeresések jól illeszkednek a nemzetvédelmi felhívás (NVA) eredeti célkitűzéseihez, és azt mutatják, hogy a kifejlesztett prototípusok valós alkalmazási igényekre reagálnak. A projekt során kialakult szakmai együttműködések és a létrehozott kísérleti infrastruktúra stabil alapot biztosítanak a fejlesztések folytatásához, valamint ahhoz, hogy a most elkészült rendszerek a későbbiekben célzott ipari és védelmi alkalmazások irányába fejlődjenek tovább.

A záró sajtó közlemény az ELEKTRONET 2025. novemberi számában jelenik meg.

Legfontosabb publikációink, melyek open access jelleggel is elérhetőek:

  1. Ferenc Bíró, András Deák, István Bársony, Nikolay Smitev, Csaba Dücső:  An analytical method to design annular microfilaments with uniform temperature Microsystem Technologies (2022) 28:2511–2528 https://doi.org/10.1007/s00542-022-05376-8
  2. Tamás Dózsa , János Radó , János Volk , Ádám Kisari , Alexandros Soumelidis ,  and Péter Kovács Road Abnormality Detection Using Piezoresistive Force Sensors and Adaptive Signal Models IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL. 71, 2022 http://doi.org/10.1109/TIM.2022.3194900
  3. János Volk , János Radó , Zsófia Baji and Róbert Erdélyi Mechanical Characterization of Two-Segment Free-Standing ZnO Nanowires Using Lateral Force Microscopy Nanomaterials 2022, 12, 4120. https://doi.org/10.3390/nano12234120  
  4. Nguyen Quoc Khánh, Zsolt Endre Horváth, Zsolt Zolnai, Péter Petrik, László Pósa, János Volk: Effect of process parameters on co-sputtered Al(1-x)ScxN layer’s properties: Morphology, crystal structure, strain, band gap, and piezoelectricity Materials Science in Semiconductor Processing Volume 169, January 2024, 107902 https://doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107902
  5. Zsófia Baji, László Pósa, György Molnár, Zoltán Szabó, Mátyás Volom, Angelja Kjara Surca, Goran Drazic, János Volk: VO2 layers with high resistive switching ratio by atomic layer deposition Materials Science in Semiconductor Processing 162 (2023) 107483 https://doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107483
  6. Z. Zolnai, P. Petrik, A. Németh, J. Volk, M. Bosi, L. Seravalli, R. Fornari: Atomic structure and annealing-induced reordering of ε-Ga2O3: A Rutherford backscattering/channeling and spectroscopic ellipsometry study Applied Surface Science Volume 636, 1 (2023) 157869 https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.157869
  7. Lajos Harasztosi, István A. Szabó, Ferenc Biró, Rebeka Gy. Kiss, Gábor Battistig: Temperature Calibration of Twin Micro-heater  Based Microcalorimeter Sensor and Transducers. -260 : 1 (2023), p. 7-13. -Sensor and Transducers. – 2306-8515. – 1726-5479 https://www.scopus.com/search/submit/citedby.uri?origin=resultslist&src=s&eid=2-s2.0-85188094398
  8. Péter Lajos Neumann, János Radó , János Volk: AlGaN/GaN Heterostructure Based 3-Dimensional Force Sensors Micro and Nano Engineering, 19 (2023) 100198 https://doi.org/10.1016/j.mne.2023.100198
  9. Dózsa T, Jurdana V, Segota S B, Volk J, Radó J, Soumelidis A, Kovács P: Road Type Classification Using Time-Frequency Representations of Tire Sensor Signals IEEE ACCESS 12 pp. 53361-53372. , 12 p. (2024) https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3382931  
  10. Török Tímea Nóra, Pósa László, Molnár Dániel, Fehérvári János Gergő, Kövecs Roland, Balogh Zoltán, Volk János, Halbritter András: Információfeldolgozás nanoskálájú  memrisztív eszközökkel SCIENTIA ET SECURITAS 4 : 4 pp. 312-320. , 9 p. (2024) https://doi.org/10.1556/112.2023.00179
  11. Zsigmond Pollner, Tímea Nóra Török, László Pósa, Miklós Csontos, Sebastian Werner Schmid, Zoltán Balogh, András Bükkfejes, Heungsoo Kim, Alberto Piqué, Juerg Leuthold, János Volk, and András Halbritter: VO2 Oscillator Circuits Optimized for Ultrafast, 100 MHz‐Range Operation Advanced Electronic Materials 2025, e00433 (2025) https://doi.org/10.1002/aelm.202500433  
  12. Dániel Molnár, Tímea Nóra Török, János Volk, Roland Kövecs, László Pósa, Péter Balázs,György Molnár, Nadia Jimenez Olalla, Zoltán Balogh, János Volk, Juerg Leuthold,Miklós Csontos,and András Halbritter: Neural Information Processing and Time-Series Prediction with Only Two Dynamical Memristors Advanced Electronic Materials, e00353, 12p (2025)  https://doi.org/10.1002/aelm.202500353
  13. Osváth Zoltán, Pálinkás András, Molnár György, Kun Péter, Koós Antal A.: Strain-induced modulation of the local conductance in MoS2 layers on gold nanoparticles SURFACES AND INTERFACES 74 Paper: 107725 , 7 p. (2025) https://doi.org/10.1016/j.surfin.2025.107725
  14. Baji, Zsófia ; Pécz, Béla ; Fogarassy, Zsolt ; Szabó, Zoltán ; Cora, Ildikó: Atomic layer deposited Fe-sulphide layers with pyrrhotite structure controlled by the deposition temperature THIN SOLID FILMS 794 Paper: 140267 , 14 p. (2024) https://doi.org/10.1016/j.tsf.2024.140267
  15. E. Szilágyi, M.K. Pal, E. Kótai, Z. Zolnai, I. Bányász: Fluence evolution of defects in α-SiO2 determined by ionoluminescence Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 555 (2024) 165470 https://doi.org/10.1016/j.nimb.2024.165470
  16. Király Anna Vanádium-oxid alapú vezetőképességi gázérzékelő TDK dolgozat Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar https://www.ch.bme.hu/document/3478/original/TDK-konferencia_2025%20(1).pdf