Wasserqualität beurteilen
Multisensorsystem für die Wasseranalytik
Mit speziellen 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. Hier spielen neben Parametern wie Leitfähigkeit und pH-Wert 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.
Das Forschungsteam im Geschäftsfeld Chemische Sensorik des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme (kurz: Fraunhofer IPMS) hat intensiv an der Entwicklung von modernen ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFET) sowie kapazitiven Leitfähigkeitssensoren gearbeitet, die nahtlos in Umweltmesssysteme integriert werden können. Für die erfolgreiche und effiziente Nutzung der Sensoren wurde eine innovative Ansteuerelektronik entwickelt, die nach Institutsangaben eine äußerst flexible und energieeffiziente Nutzung dieser Sensoren ermöglicht.
Besonders hervorzuheben seien die besonderen Eigenschaften der entwickelten pH-Sensoren, wie Dr. Olaf Rüdiger Hild, Geschäftsfeldleiter für Chemische Sensorik am Fraunhofer IPMS, 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 Sensoren können zudem an anwenderspezifische Anforderungen, sowohl sensorisch als auch elektrisch, angepasst werden. Diese Technologien aus dem Fraunhofer IPMS tragen nach Angaben dazu bei, die Effizienz und Präzision in der Umweltanalytik erheblich zu steigern und eröffnen neue Möglichkeiten für individuelle Anwendungen in unterschiedlichen Branchen.
Zum 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 also nicht zur Freisetzung von Metallionen. 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 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 Source-Elektrode und der Gate- bzw. Referenzelektrode (Ag/AgCl in 3M KCl) genutzt.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS
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