Chemische Sensoren

Ionenmobilitätsspektrometer (IMS)

Entwickelter Chip am Fraunhofer IPMS, mit integrierten Ionenfilter und Ionendetektor als Basis für ein Ionenmobilitätsspektrometer.

Im Bereich Chemosensorik entwickelt das Fraunhofer IPMS Sensoren für den Nachweis von ausgewählten Gasen aus der Atmosphäre.

In den Bereichen der Umwelt- sowie biomedizinischen Analytik gibt es einen enormen Bedarf an mobilen Geräten, die spezifische Substanzen im ppm bis sub ppb-Konzentrationsbereich nachweisen können. Typische Stoffe stammen zum Beispiel aus der Gruppe der volatilen organischen Komponenten (VOCs) wie Aceton oder Toluol, die beispielsweise bei der Markererkennung oder dem Schadstoffnachweis von großer Bedeutung sind.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS entwickelt daher für die Spurengasanalytik eine modulartige Komponente, die mit Kunden und Kooperationspartnern für anwendungsspezifische Produktentwicklungen genutzt werden kann. Am Ende dieser weiterführenden Entwicklungskette sehen wir mobile Geräte, die in großen Umfang durch Laien genutzt und innerhalb vielfältiger Anwendungsszenarien eingesetzt werden.

Herzstück dieses Moduls stellt ein Siliziumchip dar, in den ein Ionenfilter und Ionendetektor integriert ist und als Komponente eines Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) konzipiert ist. Dieses Konzept ermöglicht es, ionisierbare Analytsubstanzen in geringsten Konzentrationen direkt in Luft nachzuweisen. Zur Stoffidentifikation wird die molekülspezifische Ionenmobilität genutzt. Die besondere Kombination aus einer speziellen FAIMS-Filtertechnik und der am Fraunhofer IPMS verfügbaren Mikrotechnologien, erlaubt es die Filtermethodik sehr effektiv und im Sinne der Applikation sehr flexibel umsetzen zu können. Das zu Grunde liegende einzigartige Konzept aus Bauelement, Technologie und Systemintegration, geht über bestehende Lösungen am Markt hinaus und verspricht daher zukünftig innovative Lösungen im Bereich der Gassensorik adressieren zu können.

Konventionelle Methoden, wie Gaschromatographen gekoppelt mit Massenspektrometern, sind vor allem den Bereich der Laboranalytik etabliert. Diese Art von Geräten sind einerseits hochgenau und messen sehr selektiv, stellen andererseits aber enorme Anforderungen an die Geräteumsetzung und entsprechend geschultes Personal. Infolge des damit verbunden Kosten- und Zeitaufwands beschränkt sich der Einsatz auf Einzel- bzw. Stichprobenmessungen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Proben vor Ort eingesammelt und zum Labor gebracht werden müssen. Dies erfordert zusätzlichen Aufwand, um Veränderungen der Probenzusammensetzung infolge des Probennahmesystems und Probentransfers zu vermeiden.

Eine auf der Ionenmobilitätsspektrometrie basierende Lösung erlaubt demgegenüber Messungen direkt vor Ort, beispielsweise bei der Überprüfung auf gesundheitsschädliche Emissionen in kritischen Stellen oder bei der Unterstützung von medizinischen Personal bei der Diagnostik oder Behandlung. Zudem können durch den Zugriff auf MEMS-Technologien kostengünstig IMS-Chips in großen Stückzahlen realisiert werden. Dies stellt eine wesentliche Voraussetzung zur Adressierung von hochvolumigen Anwendungen mit geeigneten System dar.

Wir bieten

  • eine flexible Auslegung unseres Bauelements an Ihre relevanten Analytsubstanzen
  • Adaption unseres AVT-Konzepts zur Integration unserer Modulkomponente in Ihr System
  • Nachweis der Machbarkeit und Funktionalität

Parameter

  • Sensormaterialien: Bulk-Si
  • Nachzuweisende Stoffe: organische Lösungsmittel (Benzen, Acteon, Ethanol)
  • Schädlichkeitsgrenzen: 1 ppm (Benzen), 250 ppm (Aceton), 1000 ppm (Ethanol)
  • Nachweisgrenzen der Sensoren: ppb
  • Betriebstemperaturen: Raumtemperatur - 100°C
  • Messprinzip: Ionenmobilitätsspektrometrie

Ionensensitiver Feldeffekttransistor (ISFET)

Im Bereich Chemosensorik entwickelt das Fraunhofer IPMS Sensoren für die Detektion von Ionen, Ionenleitfähigkeit und Temperatur in wässrigen Lösungen.

  • Design und Entwicklung von ISFET-Chips und Wafer-Teststrukturen
  • Messtechnische Prüfung und Charakterisierung auf Waferlevel (Modellierung zur Sensorarbeitspunktprognose, Schichtcharakteriserung und Waferbereich-Bewertung)
  • Entwicklung und Design von Aufbau- und Verbindungstechnologien zum Einsatz als Sensor (Modulkonzept) inklusive Untersuchungen und Entwicklungen zur polymertechnischen Isolation von ISFET-Chips und der Bewertung und Prüfung von Sensordichtungen
  • Messtechnische Prüfung und Charakterisierung in wässriger Lösung (pH0-14, 0-95°C) mit der Entwicklung, Erprobung und Automatisierung von Mess- und Charakterisierungsabfolgen
  • Fertigung von ISFET-Chips für die Industrie, Haupteinsatzgebiet ist die Lebensmittelchemie als Halbzellen in pH-Sensoren mit konventioneller Referenzelektrode für erweiterten Einsatz bis 135°C

Sensor-Chip-Parameter

  • FET-Arbeitsbereich: 0V > Ugs > -3V                               
  • FET-Steilheit: 230µA/V (Uds 1.1V)
  • pH-Steilheit: 58…59,5mV/pH (25°C)                     
  • pH-Einsatzbereich: pH0…14 (90°C)
  • Temperatur-Bereich: 0°C…135°C                                      
  • Leitfähigkeitsbereich: >10µS
  • Nichtlinearität: <3mV im pH-Bereich 2-12 (25°C)

Leitfähigkeitssensor

Quadrupol für kapazitive und konduktive Messverfahren

  • Design und Entwicklung von CMOS-kompatiblen Leitfähigkeitssensorstrukturen
  • Design und Integration der Leitfähigkeitssensorstruktur in pH-Sensorsystemen
  • Messtechnische Erprobung und Charakteriserung
  • Design und Entwicklung von Schaltungen zur Integration der AC-Leifähigkeitssensorik in den DC-pH-Sensor

Einsatzgebiete

  • Umweltsensorik
  • Gewässerüberwachung
  • Abwassertechnik
  • Mikrofluidik
  • Sportmedizin/Körpersensorik 

Eigenschaften

  • Messbereich: 10µS/cm bis 100mS/cm
  • Zellkonstante: ca. 0,6 - 0,8 1/cm
  • Chipdimension: 5x5mm2

Aufbau

  • Si-Wafer mit SiO2
  • Leitstrukturen aus Al + Tantal
  • Passivierung der Oberfläche durch Tantalpentoxid (Ta2O5)

Temperatursensor

  • Design und Entwicklung von CMOS-kompatiblen Temperatursensorstrukturen und Teststrukturen
  • Messtechnische Erprobung und Charakterisierung
  • Design und Integration der Temperatursensorstruktur in pH-Sensoren bzw. Leitfähigkeitssensoren
  • Design und Entwicklung von Schaltungen zur Integration der Temperatursensorik in den pH-Sensor/Leitsensor