Paramagnetischer Sauerstoffsensor in Mikrosystemtechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Vorhabens ist der Aufbau eine Sauerstoffsensors in Mikrosystemtechnik zur Gasanalyse in medizinischen Geräten, zum Beispiel Beatmungsgeräten, sowie zur Prozessüberwachung und Regelung in der chemischen Verfahrenstechnik oberhalb von ca. 1% Sauerstoffgehalt. Dem im Antrag beschriebenem Sauerstoffsensor liegt das Prinzip zugrunde, durch lokale hohe Magnetfeldgradienten Druckunterschiede in symmetrisch aufgebauten Kanalstrukturen zu erzeugen, die von den paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs hervorgerufen werden. Vorteil eines paramagnetischen Sauerstoffsensors in Bezug auf alternative Verfahren zur Messung des Sauerstoffgehalts mittels Mikrosystemen, wie zum Beispiel Sensoren basierend auf Metalloxiden bzw. chemischen Sensoren (Lambda-Sonde), ist die aufgrund des rein physikalischen Messprinzips mögliche Langzeitstabilität. Weiterhin besteht bei paramagnetischen Sauerstoffsensoren nicht die Notwendigkeit, den Sensor stark zu erwärmen, um eine Ionenleitfähigkeit zu erreichen oder eine chemische Reaktion hervorzurufen bzw. zu beschleunigen, so dass eine energieeffiziente Sauerstoffmessung ermöglicht wird. Der im Antrag beschriebene Sauerstoffsensor besteht im Wesentlichen aus zwei symmetrisch gestalteten Kanalstrukturen, durch die Sauerstoff geleitet wird. In einer der beiden Kanalstrukturen soll der Sauerstoff mittels eines lokalen inhomogenen Magnetfelds beeinflusst und somit Druckunterschiede zwischen den beiden Kanälen hervorgerufen werden. In einem Ausgleichskanal, welcher die beiden Kanäle miteinander verbindet, soll durch diese Druckunterschiede ein Fluss hervorgerufen und mittels Thermoanemometer gemessen werden. Im Verlauf des Forschungsvorhabens wurde dieses Prinzip abgewandelt. Wird das Gas auf drei parallele Kanäle, einen zentralen Hauptkanal, einen Referenzkanal und einen Messkanal aufgeteilt und der Sauerstoff durch einen am Messkanal seitlich positionierten Magneten abgelenkt, so lässt sich damit eine signifikant höhere Empfindlichkeit erreichen. Statt der Druckunterschiede, hervorgerufen durch eine Verlangsamung des Flusses, wird das Gas in den Messkanal abgelenkt. Durch Vergleich der Signale von im Mess- und Referenzkanal integrierten Thermoanemometern wird der unterschiedliche Massenfluss gemessen und damit auf die Sauerstoffkonzentration rückgeschlossen. Im weiteren Verlauf des Projektes wurde der Sensor erweitert um eine Messung der Wärmeleitfähigkeit des Gases, zur Kompensation von durch die Verwendung von Thermoanemometern bedingter Querempfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Gasen, sowie einen Flusssensor zur Messung des Gesamtflusses im System zur Kompensation der Abhängigkeit des Sensors von Flussschwankungen. Gleichzeitig wird dabei durch eine Optimierung der Thermoanemometer die Genauigkeit des Sensors weiter erhöht, so dass Konzentrationsmessungen bis in den 0.1 % Bereich möglich sind. Mit Hilfe dieser Kompensationen der Gasartabhängigkeit und Flussschwankungen kann dem Forschungsvorhaben eine Produktentwicklung angeschlossen werden. Für diesen weiteren Verlauf des Projektes konnte ein kompetenter mittelständischer Partner gewonnen werden, welcher das Patent zum Sensordesign erworben hat und sich um die weitere industrielle Entwicklung kümmert. Denkbar ist mit dem Sensor zum Beispiel die Anwendung in Anästhesiegeräten zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Atemgas.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Device for Determining the Oxygen Content of a Gas“ Nr.: US2011/001115911
Stefan Vonderschmidt, Jörg Müller
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„Vorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in einem Gas“ Nr.: DE 10 200 90 33420
Stefan Vonderschmidt, Jörg Müller
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„Vorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in einem Gas“ „Device for Determining the Oxygen Content of a Gas“ „Dispositif de détermination de la teneur en oxygène dans un gaz“ Nr. EP2278323B1
Stefan Vonderschmidt, Jörg Müller
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„Paramagnetischer Sauerstoffsensor in Mikrosystemtechnik“, Mikrosystemtechnikkongress 2009, Berlin
Stefan Vonderschmidt, Jörg Müller
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„A Novel Micro Paramagnetic Oxygen Sensor”, Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2010, Hong Kong
Stefan Vonderschmidt, Jörg Müller
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„Optimierung eines Paramagnetischen Sauerstoffsensors in Mikrosystemtechnik“, Mikrosystemtechnikkongress 2011, Darmstadt
Stefan Vonderschmidt, Jörg Müller
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„Miniaturized Paramagnetic Oxygen Sensor“, Microsystems Technology in Germany 2012
Stefan Vonderschmidt, Jörg Müller
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„A fluidic bridge based MEMS paramagnetic oxygen sensor” Sensors and Actuators B: Chemical Volume 188, November 2013, pages 22-30
Stefan Vonderschmidt, Jörg Müller
