EIS- und EGFET-Sensoren für komplexe Flüssigkeiten (seit 2014)

Im Rahmen dieses Projekts sollen neuartige bzw. auf spezielle Einsatzgebiete optimierte chemische Sensoren zur Analyse der Zusammensetzung von komplexen wässrigen Medien entwickelt werden. Dabei sollen zukünftig potentiometrische und andere elektrische und elektrochemische Wandlungsprinzipien zum kostengünstigen und robusten Nachweis von Ionen, organischen und biologischen Komponenten verwendet werden.
Als erstes exemplarisches industrielles Einsatzfeld wurde die Online-Überwachung der Alterung von Kühlschmierstoffen in der spanenden formgebenden Metallbearbeitung mittels pH-Sensoren auf Basis des in Halbleitern auftretenden Feldeffekts ausgewählt. 

Materialsynthese: Präparation von dünnen Metalloxidschichten

Um pH-sensitive Schichten in Extended Gate Feldeffekttransistoren (EGFET) oder Elektrolyt-Isolator-Halbleiter-Stapel (EIS) herzustellen, müssen dünne Metalloxidschichten auf leitfähige oder halbleitende Substrate abgeschieden werden. Hierfür kommen Silicium-Wafer oder auch metallische Substrate zum Einsatz. Metalloxide, die gute pH-sensitive Eigenschaften zeigen, sind hierbei insbesondere Ta2O5, Nb2O5 und TiO2.
Diese werden auf die Substrate durch unterschiedliche Beschichtungstechniken (ALD, CVD, PLD, Sputtern oder durch nasschemische Sol-Gel-Beschichtung) aufgebracht. Zusätzlich können diese Metalloxidschichten noch thermisch nachbehandelt oder weiter funktionalisiert werden.

Materialcharakterisierung: Charakterisierung der Metalloxidschichten

Die Proben werden strukturell über rasterelektronenmikroskopische (SEM) Messungen charakterisiert. Photoelektronenspektroskopische (UPS/XPS) Untersuchungen geben Aufschluss über die Stöchiometrie der Metalloxide und deren Valenzbandstruktur. XRD-Messungen machen  Informationen zu Phasen und zur Kristallinität zugänglich. Zudem werden über Kontaktwinkeluntersuchungen Oberflächenenergien der Metalloxidoberflächen ermittelt und das Benetzungsverhalten der Materialien charakterisiert.

Funktionsprüfung: pH-sensorische Messungen an Kühlschmierstoffen

Kühlschmierstoff auf Ta2O5-Silizium EIS-Struktur.Die Ladungsänderung der Oberfläche eines mit Metalloxid beschichteten Halbleiters durch Anbindung von Protonen kann sensorisch ausgewertet werden. Bei EGFETS wird ein mit Metalloxid beschichtetes leitendes Substrat in Kontakt mit dem Gate-Anschluss eines klassischen MOSFETs gebracht. Eine Verschiebung der Strom-Spannungs-Kurve zeigt hierbei die Anbindung der Protonen an die Oberfläche des „Extended Gates“ an. Bei EIS-Strukturen werden Kapazitäts-Spannungs-Kurven gemessen. Hier binden die Protonen aus dem Elektrolyt an die isolierende Metalloxidschicht und verändern dadurch (ähnlich wie in einem Plattenkondensator) die Ladung in den isolatornahen Halbleiterregionen. Durch die resultierende Kapazitätsänderung des Bauelements verschiebt sich die Kurve in Abhängigkeit des pH-Wertes. Die hergestellten Sensoren werden für die Untersuchungen in eigens dafür konstruierten Messplätzen eingebaut und automatisiert gegenüber Elektrolyten mit  unterschiedlichen pH-Werten gemessen. Dies erfolgt dabei temperiert entweder in einer Durchflusszelle oder durch automatische Titration in ein Batch-System. In diesen Studien zeigen ausgewählte Materialien Sensitivitäten am Nernst-Limit, sehr gute Linearitäten und keine nennenswerte Hysterese. Anwendungsnahe Messungen mit frisch angesetzten und lange gebrauchten wassermischbaren Kühlschmierstoffen zeigten eine Funktionsfähigkeit der Bauelemente für eine Industrie 4.0-taugliche Nachverfolgung der Degradation des Kühlschmierstoffs.

Struktur-Funktions-Beziehung: Kristallinität und Defekt

Erste Experimente zeigten, dass die Empfindlichkeit des Sensors von der Herstellungsmethode der Metalloxidschicht und ihrer thermischen Nachbehandlung abhängt. Wir vermuten, dass dabei die Kristallinität und auch die Defektdichte variieren, die dann Einfluss auf die Bindung der Protonen an die Oberfläche haben. Ziel ist es daher, diese Parameter gezielt einzustellen und mit systematischen Sensoruntersuchungen zu untermauern.

Aktuelle Fragestellungen

Die aktuellen Fragestellungen im Projekt sind einerseits die weitere Aufklärung von Struktur-Funktions-Beziehungen, z. B. durch die gezielte Verwendung von Mischoxiden und andererseits die Herstellung robuster Referenzelektroden sowie die kostengünstige Integration in Leiterplattenmaterialien. Zudem werden die Sensoren für weitere Anwendungen getestet.


Kooperationen

Vom Institut für Experimentelle Physik II (Halbleiterphysik) der Universität Leipzig wurden mit PLD abgeschiedene Metalloxide erhalten. Die XRD- und SEM-Messungen wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstoffwissenschaft (Leiter Prof. D. Rafaja) durchgeführt. Erste Versuche zur Integration in Leiterplatten werden vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) unterstützt.

Finanzierung

Die Finanzierung erfolgt derzeit über Haushaltsmittel.

Ausgewählte Publikationen

  1. Y. Joseph: Chemische Sensoren für Betriebsstoffe - eine Chance für Industrie 4.0, eingeladener Vortrag, Arbeitskreis Kühlschmierstoffe- Kick Off Meering, Blaser Swisslube AG, Hasle-Rüegsau, Switzerland, 18.7.2013.
  2. F. Güth, P. Árki, Y. Joseph; Nanostructured metal oxides for pH-sensing devices; Poster, Nanofair 2014, 1. – 3.7.2014, Dresden, Germany.
  3. Y. Joseph: Sensorik für Kühlschmierstoffe, Kühl-Schmierstoff-Forum, Fellbach, 3.12.2014.
  4. F. Güth, P. Arki, Y. Joseph; Field-effect based pH sensors for cutting fluid condition monitoring; Vortrag, Eurosensors 2015, 06.-09.09.2015, Freiburg.
  5. F. Güth, P. Arki, Y. Joseph; Feldeffektbasierte pH-Sensoren für die Überwachung von Kühlschmierstoffen; Vortrag, 12. Dresdner Sensor-Symposium, 07.-09.12.2015, Dresden.
  6. F. Güth, P. Arki, Y. Joseph; Poster, Chemische Sensoren zur Überwachung von Prozessmedien für die spanende Metallbearbeitung; Poster, 11. Kolloquium Prozessanalytik, 01.-02.12.2015, Wien.
  7. Güth, F., Arki, P., Joseph, Y.; Field-effect based pH sensors for cutting fluid condition monitoring; Procedia Engineering, 120 (2015)  150-153.