25.03.2024

Neues Multisensorsystem für die Wasseranalytik

Innovative Ansteuerelektronik ermöglicht Nutzung von ionensensitiven Feldeffekt-Transistoren sowie kapazitiven Leitfähigkeits-Sensoren in Umweltmesssystemen.

Das Fraunhofer-Institut für photonische Mikrosysteme setzt mit bahnbrechenden Entwicklungen auf dem Gebiet der chemischen Sensorik neue Maßstäbe bei der Beurteilung der Wasserqualität für Mensch und Umwelt. Neben den entscheidenden Parametern, wie Leitfähigkeit und pH-Wert, spielen künftig auch Nährstoffe wie Nitrat, Phosphat und Kalium als Schlüsselionen eine wichtige Rolle. Ihre Bewertung hat insbesondere in der Umweltanalytik, der Landwirtschaft und der Wasserwirtschaft eine große Bedeutung.

Abb.: Demonstrator für die pH- und Leitfähigkeitsmessung.
Abb.: Demonstrator für die pH- und Leitfähigkeitsmessung.
Quelle: Fh.-IPMS

Das Fraunhofer-IPMS hat intensiv an der Entwicklung von hochmodernen Ionensensitiven Feldeffekt-Transistoren sowie kapazitiven Leitfähigkeits-Sensoren gearbeitet, die nahtlos in Umweltmesssysteme integriert werden können. Für die erfolgreiche und effiziente Nutzung der Sensoren wurde jetzt eine innovative Ansteuerelektronik entwickelt, die eine äußerst flexible und energieeffiziente Nutzung dieser Sensoren ermöglicht.

„Die geringe Drift von weniger als zwanzig Mikrovolt pro Stunde, der breite adressierbare pH-Bereich von 1 bis 13, sowie die äußerst kleine Hysterese und geringe Lichtempfindlichkeit machen unsere pH-Sensoren einzigartig. Hinzu kommt ihre beeindruckende mechanische Stabilität“, erläutert Olaf Hild vom Fraunhofer-IPMS. Zusätzlich bieten die Leitfähigkeits-Sensoren mit einem Messbereich von zehn Mikro- bis zu hundert Milli-Siemens pro Zentimeter vielseitige Anwendungsmöglichkeiten für Umweltanalysen. Die Sensoren können zudem an kundenspezifische Anforderungen, sowohl sensorisch als auch elektrisch, angepasst werden.

Der kapazitive Leitfähigkeits-Sensor der Fraunhofer-IPMS beruht auf einer metallischen Vier-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 pro Zentimeter und sind bei einer Messfrequenz von hundert Hertz bis zu einem Megahertz einsetzbar.

Der neuartige ISFET des Fraunhofer-IPMS beruht auf der Metal-Oxid-Semiconductor-Feldeffekttransistor-Technologie, 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. Als Messsignal wird dann die Spannung zwischen der Source-Elektrode und der Gate- oder Referenz-Elektrode genutzt.

Fh.-IPMS / RK

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