InnoNet-Verbundprojekt "Innovative Sensorsysteme zur Erfassung von chemisch-physikalischen Parametern in der Medizin und Lebensmitteltechnik", Teilprojekt: pH- und CO2-Sensoren auf Glaskeramik in Dickschichttechnik

Die Entwicklung und Fertigung kostengünstiger miniaturisierbarer Sensorsysteme zur prozessorientierten Erfassung chemisch-physikalischer Parameter eröffnet neue, breite Anwendungsmöglichkeiten z.B. in Medizin- und Lebensmitteltechnik. Die entwickelten planaren pH-, CO2- und O2- Sensoren in Dickschichttechnik sind neue bzw. in ihren Eigenschaften verbesserte Messsysteme mit guten Marktchancen. Derartige Sensoren stellen damit interessante Produkte für KMUs dar. Es sind funktionsfähige Dickschicht-pH-Elektroden auf keramischen Substratmaterialien aufgebaut worden. Die pH-Empfindlichkeiten (mV/pH) der Elektroden liegen im Bereich der pH-Selektivitäten von konventionellen Glasmembranelektroden. Die Elektroden sprechen schnell auf pH-Wertänderungen an. Unter Verwendung von über Sol-Gel-Prozesse hergestellten reaktiven Precursern wurden Elektroden mit pH-sensitiven Li2O-Glasschichten ebenfalls auf Keramiksubstraten aufgebaut. Diese besitzen pH-Empfindlichkeiten von 47 - 54 mV/pH. Ag/AgCl/Cl- Referenzelektroden in Dickschichttechnik wurden entwickelt. Ihre Lebensdauer beträgt ca. 4 Wochen. Durch Kombination eines Na(+)- lonenleiters wie Natrium-beta/beta'-Aluminiumoxid mit einer Messelektrode bestehend aus einer festen, gassensitiven Na2CO3-Schicht, und einer Referenzelektrode aus SiO2 und Na2Si2O5 ist ein planarer CO2- Festelektrolytsensor in Dickschichttechnik entwickelt worden. Der Sensor zeigt in einem weiten Konzentrationsbereich von 300 bis 440000 Vol.-ppm CO2 bei Betriebstemperaturen von 500 bis 600 Grad C sehr gute CO2- sensitive Eigenschaften. Auf Basis eines YSZ-Substrates mit einer nichtedelmetallhaltigen Arbeitselektrode und Diffusionsbarriere ist ein Prototyp für den amperometrischen O2-Sensor hergestellt worden. Der Sensor wurde für pO2-Messungen im Bereich pO2 = 1 - 25 % optimiert. Er arbeitet bei einer Betriebstemperatur von 575 - 625 Grad C mit einer Betriebsspannung von 0,4 V Die Ansprechzeit (t(ind 90)) beträgt < 5 s und die Empfindlichkeit 0,5 mA (1 - 21 % O2, nicht linear). Die im Projekt erarbeiteten Ergebnisse finden auf Tagungen und Messen großes Interesse. Besonderes Marktinteresse besteht für den pH-Sensor zur Qualitätsüberwachung von Nahrungsmitteln sowie für den CO2-Sensor für Raumluftkontrolle und Atemgasmonitoring. Das erreichte Entwicklungsniveau der Sensoren ist überführungsreif.