05.04.2024

Multisensorsystem für die Wasseranalytik

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat ein neues Multisensorensystem für die Wasseranalytik vorgestellt. Neben den entscheidenden Parametern, wie Leitfähigkeit und pH-Wert, spielen künftig auch Nährstoffe wie Nitrat, Phosphat und Kalium als Schlüssel-Ionen eine wichtige Rolle. 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.

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 Source-Elektrode und der Gate- bzw. Referenzelektrode (Ag/AgCl in 3M KCl) genutzt.