Entwicklung von Ca und Mg Sensoren in Mikrotechnologie: mit Fertigungstechnologien der Mikrosystemtechnik

Von Martin Aicher

Die Miniaturisierung von Sensoren schreitet voran. Die Mikroelektronik eröffnet neue Möglichkeiten hinsichtlich einer kompakten Bauform und wirtschaftlicher Technologien. Der Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik unter der Leitung von Prof. Dr. habil. Bernhard Wolf der Technischen Universität München forscht seit vielen Jahren in diesem Bereich. Ein Beispiel stellt die Forschungsarbeit für das Projekt Medizin 4.0 dar. Mikrosensoren aus Dick- und Dünnschichttechnologien kommen im Umfeld der Ionenmessung in wässrigen Lösungen zum Einsatz. Im Trinkwasserbereich richtet sich das Augenmerk auf die Wasserhärtemessung zur Überwachung hoher Konzentrationen als Ursache für Kalkablagerungen und Nährboden für Mikroben. Eine flächendeckende Messung durch kompakte und wirtschaftliche Sensoren gewinnt an Bedeutung und leistet hier einen Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität.
Aus dieser Motivation heraus hat sich der Autor das Ziel gesetzt, ein neues Sensorkonzept vorzuschlagen, zu realisieren und zu verifizieren. Diese Sensoren haben den Vorteil, dass sie ohne Reagenzien und Referenzelektroden auskommen. Solch eine ionensensitive Substratfunktionalisierung ersetzt herkömmliche ionensensitive Membranen und verringert dadurch die Anzahl der Komponenten. Dieser neue Sensor in Integralbauweise ermöglicht eine rationelle Fertigung und erleichtert die Handhabung. Teile dieser Arbeit wurden in dem Journal Sensors and Actuators B: Chemical unter dem Titel "A Novel Thin Film Impedance Ca Ion Sensor for Drinking Water" veröffentlicht.
Die Sensoren wurden mithilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie und der energiedispersiven Röntgenspektroskopie charakterisiert.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: tredition
• Erscheinungsdatum: 3. Nov. 2017
• ISBN: 9783743969650

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Entwicklung von Ca²+ und Mg²+

Sensoren in Mikrotechnologie

mit Fertigungstechnologien der Mikrosystemtechnik

Technische Universität München

Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik

Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Wolf

Entwicklung von Ca²+ und Mg²+ Sensoren in Mikrotechnologie

Martin M. Aicher

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)

genehmigten Dissertation.

Die Dissertation wurde am 24.3.2017 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik am 13.9.2017 angenommen.

Impressum

1.   Auflage 2017

ISBN 978-3-7439-6964-3 Hardcover

ISBN 978-3-7439-6963-6 Paperback

ISBN 978-3-7439-6965-0 e-Book

Verlag Tredition GmbH

Halenreie 42

22359 Hamburg

Copyright © 2017 Martin Aicher

Das Werk, einschließlich seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung ist ohne Zustimmung des Verlages und des Autors unzulässig. Dies gilt insbesondere für die elektronische oder sonstige Vervielfältigung, Übersetzung, Verbreitung und öffentliche Zugänglichmachung.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek:

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Kurzfassung

Die Miniaturisierung von Sensoren schreitet voran. Die Mikroelektronik eröffnet neue Möglichkeiten hinsichtlich einer kompakten Bauform und wirtschaftlicher Technologien. Der Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik (LME) der Technischen Universität München unter der Leitung von Prof. Dr. habil. Bernhard Wolf forscht seit vielen Jahren in diesem Bereich. Ein Beispiel stellt die Forschungsarbeit für das Projekt Medizin 4.0 dar. Die Zweckbestimmung für chemische Sensoren in Form von Planarsensoren ist sehr weitreichend. Aus diesem Grund sind die speziellen Anforderungen an solche Sensoren breit gefächert. Mikrosensoren aus Dick- und Dünnschichttechnologien kommen im Umfeld der Ionenmessung in wässrigen Lösungen zum Einsatz. Im Trinkwasserbereich richtet sich das Augenmerk auf die Wasserhärtemessung zur Überwachung hoher Konzentrationen als Ursache für Kalkablagerungen und Nährboden für Mikroben. Eine flächendeckende Messung durch kompakte und wirtschaftliche Sensoren gewinnt an Bedeutung und leistet hier einen Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität.

Aus dieser Motivation heraus hat sich der Autor das Ziel gesetzt, ein neues Sensorkonzept vorzuschlagen, mit Fertigungstechnologien aus der Mikrosystemtechnik zu realisieren und zu verifizieren. Diese Arbeit beleuchtet das Sensorkonzept, gefertigt als Planarsensor zur spezifischen Kalzium- und Magnesiummessung. Diese Sensoren haben den Vorteil, dass sie ohne Reagenzien und Referenzelektroden auskommen. Der Sensor besteht aus einer Leiterbahnstruktur auf einem Polymersubstrat mit ionensensitiver Funktionalisierung. Solch eine ionensensitive Substratfunktionalisierung ersetzt herkömmliche ionensensitive Membranen und verringert dadurch die Anzahl der Komponenten. Dieser neue Sensor in Integralbauweise ermöglicht eine rationelle Fertigung und erleichtert die Handhabung. Die Dickschichttechnologie stellt eine reproduzierbare und rationelle Fertigung sicher. Der Wegfall der ionensensitiven Membran erübrigt ein stundenlanges Konditionieren vor dem Einsatz. Teile dieser Arbeit wurden in dem Journal Sensors and Actuators B: Chemical im Jahr 2017 unter dem Titel „A Novel Thin Film Impedance Ca Ion Sensor for Drinking Water" veröffentlicht.

Die Sensoren wurden mithilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie und der energiedispersiven Röntgenspektroskopie charakterisiert. Das vorliegende Sensorkonzept ist für die spezifische Messung von Kalzium- und Magnesiumionen im Trinkwasserbereich ausgelegt und getestet. Das neue Sensorkonzept erlaubt die Weiterentwicklung für weitere Einsatzgebiete und andere Messparameter.

Abstract

The miniaturization of sensors is progressing. However, the development in microelectronics opens up new possibilities in terms of compact design and economical technologies. The intended use for chemical sensors in the form of planar sensors have far-reaching implications. For this reason, the special requirements for such sensors are wide-ranging. Microsensors of thick and thin film technologies in particular in the field of ion measurement in aqueous solutions are used. In drinking water, attention is focused on the water hardness for monitoring high concentrations as a cause of calcium deposits and breeding ground for microbes. An area measurement by compact and economical sensors becomes more important and making a contribution to improving the quality of life. Professor Dr. Bernhard Wolf has chaired the Heinz Nixdorf Chair for Medical Electronics of the Technische Universität München. The research at our department focuses on the implementation of microsensor-based lab-on-chip systems. One example is a current project for Medicine 4.0 [1].

From this motivation, the author has set itself the objective of this work to propose a new sensor concept to implement and verify. This work illuminates the sensor concept as planar sensor for the specific measurement of calcium and magnesium. These sensors have the advantage that they neither require reagents nor reference electrode. The sensor consists of an interdigitated electrode structure on a polymer substrate with ion-sensitive functionalization. Such an ion-sensitive substrate surface replaces conventional ion-sensitive membranes and thereby reduces the number of components. This new sensor in integral design allows for a rational production and facilitates handling. The thick film technology ensures a reproducible and efficient manufacturing. The elimination of the ion-sensitive membrane eliminates hours and hours of conditioning before use. Some results of this work were published under the title A Novel Thin Film Impedance Ca Ion Sensor for Drinking Water in the Journal Sensors and Actuators B: Chemical in 2017 [2].

The sensors were characterized using electrochemical impedance spectroscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. This sensor concept is designed and tested for the specific measurement of calcium and magnesium ions in drinking water. The new sensor conception allows the development of other fields of application and other measurement parameters.

Inhaltsvereichnis

Kurzfassung

Abstract

Kapitel 1

1.1. Wasser

1.1.1. Wasserhärtegrad

1.1.2. Typische Leitfähigkeiten wässriger Lösungen

1.1.3. Messparameter anhand der Trinkwasserrichtlinie 98/83/EWG

1.1.4. Physikalisch-chemischer Hintergrund

Kapitel 2

2.1. Sensoren – Analogie zur Natur

2.2. Leitfähigkeits- und ionenselektive Sensoren als mikroelektronische Bauelemente

2.3. Grundpfeiler eines Sensors

2.4. Übersicht der physikalisch chemischen Sensoren

2.4.1. Chemische Sensortypen und Nachweismöglichkeiten

2.4.2. Elektrolytischer Leitfähigkeitssensor

2.4.3. Ionenselektive Elektroden

2.4.4. Patentklassifikation

2.5. Kommerziell erhältliche Produkte

Kapitel 3

3.1. Ziel der Arbeit

3.2. Material und Methode

3.2.1. Lösung der Aufgabe

3.2.2. Funktionsprinzip

3.2.3. Begründung für das Konzept

3.2.4. Begründung der Werkstoffevaluierung

3.2.5. Vorteile

3.3. Charakterisierung durch elektrochemische Impedanzspektroskopie

3.3.2. Materialien und Probenwässer

3.3.3 Methoden

3.3.3.1. Impedanzspektroskopie

3.3.3.2. Einflussgrößen und Einflusseffekte

3.4. Nachweis von Kalzium und Magnesium auf Sensoroberfläche

3.5. Schichtdickenmessung der Funktionalisierung

3.5.1. Material

3.5.2. Methode

3.6. Biokompatibilität

3.6.1. Zweck

3.6.2. Material und Methode

3.7. Numerische Analyse der IDES mit der Methode der finiten Elemente

3.7.1. Material und Methode

3.8. Impedanzspektroskopie

3.8.1. Ergebnisse Probenwässer

3.8.1.13. Verifikation von Impedanzersatzschaltbild

3.9. Ergebnisse aus EDX-Analyse

3.9.1. REM-Aufnahmen

3.9.2. EDX-Analysenergebnisse

3.9.3. Diskussion EDX-Ergebnisse

3.10. Schichtdickenmessergebnisse

3.10.1.1. Ca-Sensor

3.10.1.2. Mg-Sensor

3.10.2. Diskussion Schichtdickenmessung

3.11. Ergebnisse der Biokompatibilitätsuntersuchung

3.12. Ergebnis aus der numerischen FEM-Analyse der IDES

Kapitel 4

4.1. Diskussion der Gesamtergebnisse

4.1.1. Vorteile

4.1.2. Nachteile

4.1.3. Wertung

Kapitel 5

5.1. Weiterführende Arbeiten

5.2. Zukünftige Einsatzmöglichkeiten des Sensors

5.2.1. Branchen

5.2.2. Marktpenetration

Veröffentlichungen im Rahmen dieser Arbeit

Anhang

A 1 Messparameter für Trinkwasser anhand der Trinkwasserrichtlinie 98/83/EWG

A 2 Bestandteile konventioneller Membranen

A 3 Terminologie

A 4 Abkürzungen

Referenzen

Referenzen gemäss DIN ISO 690:2013

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Kapitel 1 · Einleitung

1.1. Wasser

Das Medium Wasser ist das Lebenselixier für Mensch und Natur. Das erste Leben stammt aus dem Wasser [3]. Unser Körpergewicht besteht zu 40-60% aus Wasser [4]. Viele Stoffwechselprozesse laufen nur mit Hilfe von Wasser ab. Enzyme sind für chemische Reaktionen auf Wasser angewiesen. Bereits bei ca. 1% Flüssigkeitsverlust sind Einschränkungen in der kognitiven Leistungsfähigkeit spürbar. Ab 2% nimmt die körperliche Leistungsfähigkeit ab. Eine Dehydration führt zu schwerwiegenden Folgen wie der Exsikkose (lat. ex „aus und siccus „trocken) [4]. Elektrolyte sind Salze, die unter anderem den Flüssigkeitshaushalt im Körper regeln. Sie können vom Körper nicht selbst gebildet werden, sondern müssen in ausreichender Menge zugeführt werden. Der Trinkwasserqualität schulden wir besondere Sorgfalt, denn