Demonstrator für die pH- und Leitfähigkeitsmessung (Bild: Fraunhofer IPMS)
Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS will neue Maßstäbe bei der Beurteilung der Wasserqualität für Mensch und Umwelt setzen. Neben den Parametern wie Leitfähigkeit und pH-Wert spielen künftig auch Nährstoffe wie Nitrat, Phosphat und Kalium als Schlüsselionen eine Rolle. Ihre Bewertung hat insbesondere in der Umweltanalytik, der Landwirtschaft und der Wasserwirtschaft eine große Bedeutung.
Das Forschungsteam hat an der Entwicklung ionensensitiver Feldeffekttransistoren (ISFET) und kapazitiver Leitfähigkeitssensoren gearbeitet, die nahtlos in Umweltmesssysteme integrierbar sind, und eine Ansteuerelektronik für die Sensoren entwickelt.
Zu den besonders interessanten Eigenschaften der pH-Sensoren zählen die Drift von weniger als 20 µV/h, der breite adressierbare pH-Bereich von 1 bis 13 sowie die kleine Hysterese und geringe Lichtempfindlichkeit. Dazu kommt eine hohe mechanische Stabilität. Zusätzlich bieten die Leitfähigkeitssensoren mit einem Messbereich von 10 µS/cm bis 100 mS/cm vielseitige Anwendungsmöglichkeiten für Umweltanalysen. Die Sensoren lassen sich an kundenspezifische Anforderungen anpassen, sowohl sensorisch als auch elektrisch.
Physikalische Grundlagen
Der kapazitive Leitfähigkeitssensor 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. Dadurch kommt bei der Messung 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 1 MHz einsetzbar.
Dagegen basiert der ISFET auf MOS-Feldeffekttransistortechnologie (Metal-Oxid-Semiconductor), 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 dient dann die Spannung (VGS) zwischen der Sourceelektrode und der Gate- beziehungsweise Referenzelektrode (Ag/AgCl in 3M KCl).
Das Fraunhofer IPMS präsentiert die Elektronik zusammen mit den ISFETs und Leitfähigkeitssensoren auf der Fachmesse analytica vom 9. bis 12. April in München.
