Fraunhofer IPMS entwickelt neues Multisensorsystem für die Wasseranalytik

Mit bahnbrechenden Entwicklungen auf dem Gebiet der chemischen Sensorik
setzt das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS 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.

Im Geschäftsfeld Chemische Sensorik hat das Forschungsteam des Fraunhofer
IPMS intensiv an der Entwicklung von hochmodernen Ionensensitiven
Feldeffekttransistoren (ISFET) sowie kapazitiven Leitfähigkeitssensoren
gearbeitet, die nahtlos in Umweltmesssysteme integriert werden können. Für
die erfolgreiche und effiziente Nutzung der Sensoren wurde nun eine
innovative Ansteuerelektronik entwickelt, die eine äußerst flexible und
energieeffiziente Nutzung dieser Sensoren ermöglicht.

Besonders hervorzuheben sind die herausragenden Eigenschaften der pH-
Sensoren des Fraunhofer IPMS, wie Dr. 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 10µS/cm bis 100mS/cm vielseitige
Anwendungsmöglichkeiten für Umweltanalysen. Die Sensoren können zudem an
kundenspezifische Anforderungen, sowohl sensorisch als auch elektrisch,
angepasst werden.

Diese wegweisenden Technologien des Fraunhofer IPMS tragen dazu bei, die
Effizienz und Präzision der Umweltanalytik erheblich zu steigern und
eröffnen neue Möglichkeiten für individuelle Anwendungen in
unterschiedlichen Branchen.

Die entwickelte Elektronik, zusammen mit den ISFETs und
Leitfähigkeitssensoren, werden auf der Fachmesse "analytica" vom 9. bis
12. April in München präsentiert. Interessierte Anwender haben am Stand
A3.407 des Fraunhofer IPMS die Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit zu
begutachten und spezifische Anforderungen für ihre individuellen Zwecke zu
besprechen. Für ein Expertengespräch können im Vorhinein über die Webseite
des Fraunhofer IPMS Messetermine mit Wissenschaftlern und Entwicklern
vereinbart werden.

Physikalische Grundlagen des Fraunhofer IPMS ISFET

Der kapazitive Leitfähigkeitssensor der Fraunhofer IPMS 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 1MHz einsetzbar.

Der neuartige ISFET des Fraunhofer IPMS 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
Sourceelektrode und der Gate- bzw. Referenzelektrode (Ag/AgCl in 3M KCl)
genutzt.

Teile der Ergebnisse wurden im Projekt „REISen“ erzielt, ein Projekt im
Fachgebiet Materialwissenschaft, das aus Steuermitteln auf Grundlage des
vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes mitfinanziert wurde.

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Über das Fraunhofer IPMS
Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS steht für
angewandte Forschung und Entwicklung in den Bereichen intelligente
Industrielösungen, Medizintechnik und Mobilität. Forschungsschwerpunkte
sind miniaturisierte Sensoren und Aktoren, integrierte Schaltungen,
drahtlose und drahtgebundene Datenkommunikation sowie kundenspezifische
MEMS-Systeme. In den beiden Reinräumen findet Forschung und Entwicklung
auf 200 sowie 300 mm Wafern statt. Das Angebot reicht von der Beratung
über die Prozessentwicklung bis hin zur Pilotserienfertigung.