Schwarzer Kiefernprachtkäfer als Vorbild für mikrotechnologischen Infrarotsensor

Einleitung
Ein "cooler" Wärmesensor
Mikrotechnologische Umsetzung 
Knifflige technologische Probleme
Weitere Informationen

Einleitung

Waldbrände verursachen weltweit jährlich Schäden in zweistelliger Milliardenhöhe. Brandkatastrophen, wie zuletzt im Februar 2009 in Australien, fordern leider häufig auch Menschenleben. Bedingt durch die globale Erwärmung werden Waldbrände in den kommenden Jahren weiter zunehmen. Damit Waldbrände nicht außer Kontrolle geraten, ist es wichtig, einen Brand so früh wie möglich zu entdecken. Nach wie vor werden dafür Feuerwachtürme eingesetzt, die aber nicht ständig besetzt sind. Auf der Suche nach besseren Frühwarnsystemen, die automatisch und rund um die Uhr größere Waldgebiete überwachen, lohnt sich ein Blick in die Natur.

Ein "cooler" Wärmesensor

Es gibt Insekten, die als perfekte Fernortungssysteme für Waldbrände bezeichnet werden können. Dazu gehört der Prachtkäfer der Gattung Melanophila (Abbildung 1). Dieser Käfer ist mit 12 Arten auf der nördlichen Erdhalbkugel vertreten.

Die Ortungsleistung der nur knapp 1 cm großen Käfer lässt selbst Fachleute staunen. 1924 kam es in Coalinga (Kalifornien) zu einem Massenanflug von Melanophila-Käfern auf ein brennendes Öltanklager. Das Tanklager befand sich mitten in einem trockenen Wüstengebiet; der nächstgelegene Wald, in dem sich die Käfer vor dem Brand sehr wahrscheinlich aufgehalten haben, lag etwa 80 km entfernt. Die Käfer mussten also das Feuer aus dieser extrem großen Entfernung detektiert haben. Solche Berichte machten die Käfer für die bionische Forschung interessant.

Melanophila-Käfer besitzen auf jeder Körperseite unterhalb der Flügelansatzstellen ein Infrarot-(IR)-Sinnesorgan, mit dem sie Waldbrände aufspüren können. In einem Organ (Durchmesser ca. 100 µm) sind ungefähr 70 kuppelförmige IR-Rezeptoren untergebracht; sie liegen, dicht zusammengepackt, in einer grubenförmigen Vertiefung. Der Käfer verfügt also über ein stark miniaturisiertes IR-Sensorarray, dessen dreidimensionaler Aufbau mit Hilfe der Elektronenmikroskopie aufgeklärt werden konnte (Abbildung 2).

Abbildung 3 a) zeigt eine rasterelektronische Darstellung der IR-Rezeptoren und Abbildung 3 b) einen schematischen Querschnitt durch einen IR-Rezeptor.

Die IR-Strahlung löst eine mikromechanische Reaktion aus, die von einer mechanosensitiven Sinneszelle gemessen wird; die Membran der Sinneszelle wird dabei deformiert.  Wie die IR-Strahlung zur mechanischen Reaktion führt, ist im Detail noch ungeklärt.

Wir vermuten, dass der Prozess wie folgt abläuft: Im Kugelinneren befindet sich eine schwammartige Struktur aus Mesokutikula (il, Abbildung 3 b), deren Hohlräume mit Flüssigkeit gefüllt sind. Die Schale der äußeren Kugel hingegen besteht aus harter, mit Chitinfasern verstärkter Kutikula (s, Abbildung 3 b). Daher kann die impulsartige Ausdehnung der Mesokutikula und der Flüssigkeit nur dadurch kompensiert werden, dass die Flüssigkeit in der Kugel in Richtung der inneren Druckkammer (ipc, Abbildung 3 b) verdrängt wird und dort die Spitze des Mechanorezeptors (d, Abbildung 3 b) verformt. Diese Verformung erzeugt das elektrische Signal für den Käfer. Der Käfer hat somit ein schnell reagierendes Thermometer für den infraroten Bereich; er fühlt Wärme. Aber warum lässt sich der Sensor durch eine langsame Wärmeveränderung der Umgebung nicht stören?

Die Ursache konnte erst vor kurzem mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops erklärt werden und ist noch spekulativ: In der harten Kutikula (s, Abbildung 3b) der Sensorkugel befinden sich Nanokanäle (Durchmesser < 100 nm), durch die ein langsamer Druckanstieg sofort ausgeglichen wird. Der Käfer besitzt also einen mikrofluidischen IR-Sensor, in dem die Flüssigkeit in den Hohlräumen dazu genutzt wird, kurze Druckimpulse auf den Mechanosensor zu übertragen. Dieses Prinzip wird als „photomechanisch“ bezeichnet; es wird nun auf einen technischen Sensor übertragen.

Mikrotechnologische Umsetzung

Wir stellen den IR-Sensor mit Silizium-Technologie her. In Abbildung 4 ist der Aufbau dargestellt. 

Die Druckkammer besitzt ein Fenster, das für IR-Strahlung durchlässig ist. Die Flüssigkeit in der Druckkammer absorbiert die eintreffende IR-Strahlung; die Flüssigkeit erwärmt sich und dehnt sich aus. Ein Mikro-Plattenkondensator übernimmt die Rolle des biologischen Mechanorezeptors: Eine der beiden Elektroden des Kondensators fungiert als flexible, dünne Membran. Die sich ausdehnende Flüssigkeit in der Druckkammer lenkt die Membran aus; dadurch ändert sich die Kapazität des Kondensators. Diese Kapazitätsänderung wird als Messsignal genutzt. Wir mussten folgende Probleme beachten:

1. Wird die Membran ausgelenkt, so verändert sie den Druck in der mit Luft gefüllten Kondensatorkammer. In einem geschlossenen Kondensatorraum würde dadurch die Amplitude der Auslenkung gedämpft und so das Messsignal schwächer werden. Daher haben wir die obere Elektrode perforiert.

2. Eine Änderung der Umgebungstemperatur, zum Beispiel zwischen Tag und Nacht, bewirkt eine langsame Druckänderung in der Druckkammer. Wie können wir, entsprechend dem biologischen Vorbild, derartig langsame Druckänderungen kompensieren? Wir haben den IR-Sensor mit einer Druckausgleichskammer versehen, die mit der Druckkammer über eine Mikrokapillare verbunden ist. Die Druckausgleichskammer enthält eine dünne, weiche Deckel-Membran aus Silikon (PDMS), die Volumenänderungen der Flüssigkeit drucklos kompensiert.

In Abbildung 5 wird verdeutlicht, wie wir die wesentlichen Eigenschaften des biologischen Vorbilds übertragen haben.

Abbildung 6 zeigt die Anordnung der Sensoren ("Chips") auf einem 4''-Wafer und einen vergrößerten Ausschnitt eines Sensor-Layouts.

Man erkennt hier, wie die Länge der Druckausgleichskapillare und der Durchmesser der Kondensatormembran variiert wurden, um die optimalen Parameter des Sensors zu ermitteln. Auf einem 4’’-Wafer befinden sich in
unserem Layout 408 Sensoren. Der Sensorchip ist derzeit 2 x 5 mm² groß; wesentlich kleinere Ausführungen sind in der Silizium-Technologie jedoch relativ einfach machbar.

Knifflige technologische Probleme

Eine besondere Schwierigkeit bei der Herstellung des Sensors ist das blasenfreie Füllen der Mikrokammern und -kanäle mit Flüssigkeit. Dies ist in der Mikrotechnologie ein generelles Problem, das bisher nicht befriedigend gelöst worden ist. Die von uns gefundene Methode erwies sich in ersten Versuchen als vielversprechend. Doch noch immer ist unklar, ob dieser mikrotechnologische Sensor als Branddetektor geeignet und so empfindlich wie sein biologisches Vorbild ist.  

Weitere Informationen

Entwicklung bionischer Infrarotsensoren II 

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm "BIONA - Bionische Innovationen für nachhaltige Produkte und Technologien" gefördert.

Wir kooperieren mit dem Zoologischen Institut der Universität Bonn (Prof. Dr. H. Schmitz, Projektkoordinator), dem Forschungszentrum Jülich, Institut IBN-2: Bioelektronik (Prof. Dr. A. Offenhäuser), der Firma DIAS Infrared GmbH, Dresden (Dr. N. Heß) und der TU Dresden, Institut für Festkörperelektronik (Prof. Dr. G. Gerlach, Dr. V. Norkus).

Link auf Video (wurde übertragen bei "Abenteuer Wissen" (ZDF) und "Nano" (3SAT))

Referenzen:

[1] Schmitz, A., Sehrbrock, A., und Schmitz, H. (2007) "The analysis of the mechanosensory origin of the infrared sensilla in Melanophila acuminata (Coleoptera; Buprestidae) adduces new insight into the transduction mechanism" Anthrop Structure & Development 36, 291-303
[2] Müller, M., Olek, M., Giersig, M., und Schmitz, H. (2008) "Micromechanical properties of consecutive layers in specialized insect cuticle: the gula of Pachnode marginata (Coleoptera; Scarabaeidae) and the infrared sensilla of Melanophila acuminata (Coleoptera; Buprestidae)“ J. Exp. Biol. 211, 2576-2583 
[3] Bousack, H., Schmitz, H., und Offenhäuser, A. (2008) "Design of a Fluidic Infrared Detector Based on the Infrared Sensilla in the Beetle Melanophila acuminata“ In: Actuator 2008, 11th International Conference in New Actuators, Bremen, 768-789