18. April 2024 ǀ Dank neuer Fortschritte in der chemischen Sensorik setzt das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS neue Standards in der Bewertung der Wasserqualität für Mensch und Umwelt. Neben Leitfähigkeit und pH-Wert gewinnen auch Schlüsselionen wie Nitrat, Phosphat und Kalium zunehmend an Bedeutung. Diese Entwicklungen sind besonders relevant für Umweltanalysen, Landwirtschaft und Wasserwirtschaft.

Das Forschungsteam des Fraunhofer IPMS im Bereich der chemischen Sensorik hat intensiv an hochmodernen Ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFET) und kapazitiven Leitfähigkeitssensoren gearbeitet, die sich nahtlos in Umweltmesssysteme integrieren lassen. Zur effizienten Nutzung dieser Sensoren wurde eine innovative Ansteuerelektronik entwickelt, die eine flexible und energieeffiziente Nutzung ermöglicht.

Besondere Merkmale der pH-Sensoren und Leitfähigkeitssensoren

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 innovativen Technologien des Fraunhofer IPMS verbessern signifikant die Effizienz und Genauigkeit der Umweltanalytik und eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen.

Leitfähigkeitssensor, mit und ohne Temperatursensor Pt1000 verfügbar. Quelle: Fraunhofer IPMS

Technologien von Fraunhofer IPMS

Der kapazitive Leitfähigkeitssensor von Fraunhofer IPMS basiert auf einer metallischen 4-Elektroden-Anordnung, die mit einem robusten Metalloxid beschichtet ist. Dies gewährleistet, dass das Messmedium ausschließlich mit dem Oxid in Kontakt kommt, wodurch keine Freisetzung von Metallionen oder Verschmutzung erfolgt. 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 innovative ISFET von Fraunhofer IPMS nutzt die Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistortechnologie, wobei der Sensorbereich mit einer amphoteren Metalloxidschicht beschichtet ist. Diese Schicht bindet reversibel Hydronium- oder Hydroxidionen entsprechend dem pH-Wert des Messmediums (pH-sensitiver Layer). Das Messsignal wird durch die Spannung (VGS) zwischen der Sourceelektrode und der Gate- bzw. Referenzelektrode (Ag/AgCl in 3M KCl) erfasst.

Ein Teil der Ergebnisse wurde im Rahmen des Projekts “REISen” erzielt, das im Bereich Materialwissenschaft durch Steuermittel des Sächsischen Landtags finanziert wurde.