DustEar: Erkennung einzelner, mikrometergrosser Aerosolpartikel durch akustische Impaktion, Hochschule für Technik und Umwelt FHNW

• Akustische Detektionsmethode
• Piezo-Wandler
• Impaktor
• Einzelpartikel-Massemessung

Entwicklung eines neuen Sensors, der auf akustischer Impaktion basiert, um die Masse einzelner Aerosolpartikel direkt, ohne Artefakte und mit einem einfachen und robusten Messaufbau zu detektieren.

Die menschliche Gesundheit wird durch die Belastung mit hohen Aerosolkonzentrationen beeinträchtigt. Aufgrund ihrer geringen Grösse können Aerosolpartikel über die Atemwege tief in die Lunge und in den Blutkreislauf gelangen, wo sie schwere Krankheiten verursachen können. Daher werden von der WHO Grenzwerte für Aerosol-Massekonzentrationen festgelegt, die überwacht werden müssen. Aufgrund der Heterogenität der Aerosolkonzentrationen und ihrer komplexen Wechselwirkungen mit der Umwelt erfordern langfristige Messungen der Luftverschmutzung sowohl eine hohe räumliche als auch zeitliche Auflösung, um zuverlässige Informationen über Schwankungen oder Trends zu liefern.

Unser Messprinzip verwendet einen mechanischen Impaktor mit einer Düse, welche die Partikel beschleunigt, bevor diese impaktieren. Auf der Prallplatte ist ein Piezo-Wandler angebracht, der den Impulsübertrag jedes impaktierten Partikels in Form eines charakteristischen Signalpulses erfasst, dessen Amplitude proportional zur Partikelmasse ist.

In diesem Projekt wurden eigens für diese Anwendung designte Mikrofone, ein optimierter mechanischer und elektrischer Aufbau und ein Softwarecode für eine präzise Datenauswertung entwickelt. Mikrofone und Beschleunigungsdüsen wurden in Zusammenarbeit mit CSEM SA and FEMTOPrint SA speziell für diesen Sensor gefertigt. Unser Messprinzip ist sehr robust gegenüber Rauschen verursacht durch Vibrationen oder die Luftströmung und gleichzeitig empfindlich genug, um auftreffende Partikel bis zu einer Masse von wenigen Pikogramm bzw. einem Durchmesser von wenigen Mikrometern zu erkennen. Der Aufbau kann auch bei reduziertem Druck eingesetzt werden, was die untere Nachweisgrenze weiter verbessert.

In einem nächsten Schritt ist das Ziel des Projekts, diese vielversprechende und einzigartige Messtechnik weiterzuentwickeln und zu miniaturisieren

Die Entwicklung unseres DustEar-Messsystems zur Charakterisierung einzelner Aerosolpartikel wurde im IEEE Sensors Journal publiziert. Diese Arbeit wurde mit dem Schweizer Aerosolpreis 2022 der Schweizerischen Lungenstiftung ausgezeichnet, der jährlich für die beste wissenschaftliche Publikation auf dem Gebiet der internationalen Aerosolforschung verliehen wird, die in der Schweiz verfasst wurde.