Paramagnetischer Sauerstoffsensor in Mikrosystemtechnik

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Jörg Müller
• Subject Area: Microsystems
• Term: from 2012 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 213734975

Ziel des Vorhabens ist der Aufbau eines Sauerstoffsensors in Mikrosystemtechnik zur Gasanalyse in medizinischen Geräten, z.B. Beatmungsgeräten, sowie zur Prozessüberwachung und Regelung in der chemischen Verfahrenstechnik oberhalb von ca. 1% Sauerstoffgehalt. Dem im abgeschlossenen DFG-Vorhaben entwickelten Sauerstoffsensor liegt das neuartige Prinzip zugrunde, durch lokale hohe Magnetfeldgradienten aufgrund der paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs Flussunterschiede in symmetrisch aufgebauten parallelen Kanalstrukturen mit einem zentralen Haupt- sowie einem Mess- und einem Referenzkanal zu erzeugen. Diese von der Sauerstoffkonzentration im Messgas abhängigen Flussunterschiede in den beiden Nebenkanälen werden über empfindliche Anemometerstrukturen in einer Brückenschaltung ausgewertet. Vorteil eines solchen paramagnetischen Sauerstoffsensors gegenüber alternativen 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 und der geringe Energiebedarf. Gegenüber den physikalischen Hantel-Messverfahren zeichnet sich das neue Prinzip neben geringer Größe und geringem Aufwand in der Peripherie durch mechanische Robustheit und Unempfindlichkeit gegenüber Erschütterungen aus. Damit kann es auch in mobilen bzw. mechanisch instabilen Anwendungen eingesetzt werden.Im Verlauf des Forschungsvorhabens wurde mit diesem Prinzip eine Messempfindlichkeit bis in den unteren Prozentbereich erreicht. Da das Messprinzip auf der thermischen Leitfähigkeit der Gase beruht, ist diese Messung Gasart- und Druck-abhängig und daher das System nur beschränkt anwendungsreif. Darüber hinaus ist von einer verbesserten elektronischen Auswertung in Hard- und Software eine deutlich höhere Messempfindlichkeit zu erwarten.Ziel des Transferprojektes ist die Weiterentwicklung des neuartigen Sensorprinzips zusammen mit dem industriellen Partner M&C TechGroup. Wegen der Abhängigkeit von Thermoanemometern von der Gasart, hervorgerufen durch unterschiedliche Wärmeleitkoeffizienten sowie von Fluss und Druckschwankungen sollen in das System ein Wärmeleitdetektor zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Gases sowie Flusssensoren zur absoluten Bestimmung des Gasflusses integriert werden. Es ist eine Elektronik zur empfindlichen, rauscharmen Aufnahme der Signale und deren Weiterverarbeitung über Mittelungsalgorithmen zu entwickeln. Weiterhin sind für eine industrielle Anwendung eine Gaszu- und -abfuhr für das System zu realisieren, die die Verwendung von miniaturisierten Pumpsystemen erlauben mit einem bei minimalen Totvolumina und Totzeiten kontinuierlichen Fluss. Am Abschluss des Vorhabens steht der Aufbau eines Prototyps und dessen Charakterisierung in einer anwendungsnahen Applikation. Diese Zusatzsysteme sind grundlegend zu charakterisieren und zu evaluieren, wie durch eine intelligente Integration des Systeme ins Mikrosystem und der Daten in die Elektronik ein Gasart- und druckunabhängiges Messprinzip erreicht werden kann.

• DFG Programme: Research Grants (Transfer Project)
• Participating Institution: M&C TechGroup Germany GmbH