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Fraunhofer Team entwickelt Multisensorsystem Wasseranalytik Marsch! Auf dem Weg zu besseren Sensoren

Quelle: Pressemitteilung Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS 2 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut fuer Photonische Mikrosysteme
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Zur Beurteilung der Wasserqualität sind hochempfindliche und zugleich robuste Sensoren vonnöten, die auch im Feldeinsatz zuverlässig messen. Hierfür entwickelt das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme neue photonische Mikrosysteme, um Parametern wie Leitfähigkeit pH-Wert und Ionen wie Nitrat, Phosphat und Kalium zu analysieren.

Beispielhafte Messanordnung mit ISFET, Leitfähigkeitssensor und Referenzelektrode. (Bild: Fraunhofer IPMS)
Beispielhafte Messanordnung mit ISFET, Leitfähigkeitssensor und Referenzelektrode.
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Ohne Wasser, kein Leben. Doch auch die Qualität muss stimmen. So ist die Wasseranalytik ein ideales Instrument, um den Zustand der Umwelt zu erforschen und Binnengewässer auf Übersäuerung hin zu untersuchen.

Im Geschäftsfeld Chemische Sensorik hat das Forschungsteam des Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) intensiv an der Entwicklung von hochmodernen Ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFET) sowie kapazitiven Leitfähigkeitssensoren gearbeitet, die nahtlos in Umweltmesssysteme integriert werden können. Für die Nutzung der Sensoren wurde nun eine neue Ansteuerelektronik entwickelt, die eine flexible und energieeffiziente Nutzung dieser Sensoren ermöglichen soll.

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Physikalische Grundlagen des Sensorsystems

Der kapazitive Leitfähigkeitssensor beruht auf einer metallischen 4-Elektroden-Anordnung, die mit einem chemisch und mechanisch robusten Metalloxid beschichtet ist. Das Messmedium kommt somit nur mit dem Oxid, nicht aber mit dem Elektrodenmetall in Kontakt. Es kommt bei der Messung somit nicht zur Freisetzung von Metallionen oder zu deren Verschmutzung. Die Sensoren haben eine Zellkonstante von 0,8 bis 1,1 cm-1 und sind bei einer Messfrequenz von 100 Hz bis 1 MHz einsetzbar.

Der neue ionensensitive Feldeffekttransistor beruht auf der Metal-Oxid-Semiconductor (MOS) Feldeffekttransistortechnologie, wobei der medienberührende Sensorbereich aus einer amphoteren Metalloxidschicht besteht. An dieser Schicht lagern sich entsprechend des pH-Wertes Hydronium- oder Hydroxidionen aus dem Messmedium reversibel an (pH-sensitive Layer). Als Messsignal wird dann die Spannung (VGS) zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode (Ag/AgCl in 3M KCl) genutzt.

Live-Demonstration auf der Analytica 2024

Besonders hervorzuheben sind die herausragenden Eigenschaften der pH-Sensoren des Fraunhofer IPMS, wie Dr. Olaf Rüdiger Hild, Geschäftsfeldleiter für Chemische Sensorik am Institut, berichtet: „Die geringe Drift von weniger als 20 µV/h, der breite adressierbare pH-Bereich von pH = 1 bis 13 sowie die äußerst kleine Hysterese und geringe Lichtempfindlichkeit machen unsere pH-Sensoren einzigartig. Hinzu kommt ihre beeindruckende mechanische Stabilität.“ Zusätzlich bieten die Leitfähigkeitssensoren mit einem Messbereich von 10 µS/cm bis 100 mS/cm vielseitige Anwendungsmöglichkeiten für Umweltanalysen.

Die entwickelte Elektronik, zusammen mit den ISFETs und Leitfähigkeitssensoren, werden auf der vom 9. bis 12. April auf der Analytica in München präsentiert. Interessierte Anwender haben in Halle A3 am Stand 407 des Fraunhofer IPMS die Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit zu begutachten und spezifische Anforderungen für ihre individuellen Zwecke zu besprechen.

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