Projekt InMisChung Intelligente Mikrosensoren zur breitbandigen Charakterisierung von Flüssigkeiten

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1 LEHRSTUHL FÜR MESSTECHNIK Prof. Dr. rer. nat. A. Schütze Projekt InMisChung Intelligente Mikrosensoren zur breitbandigen Charakterisierung von Flüssigkeiten Berlin, 18./19. Juni 2012 Andreas Schütze Lehrstuhl für Messtechnik, Universität des Saarlandes

2 Charakterisierung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Bestimmung von Mischungsverhältnissen mit neuen physiko-chemischen Sensorprinzipien: Mikrothermische Sensoren zur Bestimmung von Wärmeleitfähigkeit und -kapazität Fractional Order Sensoren mit meso- und nanoporösen Schichten Andreas Schütze, 2

3 Mögliche Anwendungsgebiete Messung von Harnstoff in Wasser zur Reduzierung von NO x mittels SCR-Katalysatoren ( AdBlue ) Messung von Methanol in Wasser für Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) Ölqualitätsmessungen, z.b. Wasser in Öl Erfassung von Verunreinigungen in Lebensmitteln Andreas Schütze, schuetze@lmt.uni-saarland.de 3

4 Mikrothermische Sensoren: Messprinzip Wärmeleitfähigkeit und -kapazität einer Mischung ändern sich mit dem Mischungsverhältnis Bei (binären) Gemischen zweier bekannter Flüssigkeiten kann durch Messung dieser Parameter auf das Mischungsverhältnis geschlossen werden 4

5 23 mm Projekt InMisChung Mikrothermische Sensoren: Sensorlayout 2 Varianten: Titan auf Glas Aluminium auf Polyimidfolie 4 mm Heizer (mit vier Anschlüssen für exakte Temperaturmessungen) Temperatursensoren 23 mm 5

6 23 mm Projekt InMisChung Mikrothermische Sensoren: Sensorlayout SMD ggfs. für kleine und mittlere Stückzahlen? SMD-Bauteile auf Epoxydplatine Temperatursensoren Heizer 23 mm 6

7 Mikrothermische Sensoren: Messablauf Einprägen eines Temperaturpulses und Messung der Temperaturerhöhung 7

8 Mikrothermische Sensoren: Simulation des Messprinzips mit in COMSOL Multiphysics 8

9 Fractional Order Sensoren: Messprinzip Dielektrische Eigenschaften des Fluids bestimmen das Impedanzverhalten der Sensorstruktur Bei porösen Schichten mit breiter Größenverteilung ergeben sich verteilte Zeitkonstanten Daraus resultiert ein sog. Fractional Order element, charakterisiert durch konstanten Phasenwinkel der Impedanz über weiten Frequenzbereich (erlaubt einfache Messung) 9

10 23 mm Projekt InMisChung Fractional Order Sensoren: Sensorlayout Vier verschiedene Interdigitalstrukturen Integrierter Temperaturfühler 23 mm 10

11 Messkammer zur Erprobung beider Prinzipien Messkammer mit variablem Volumen Zufluss Kontaktstifte Abfluss Sensorchip bzw. -folie Bohrungen zur thermischen Entkopplung 10 mm Andreas Schütze, 11

12 Schematische Darstellung des Messaufbaus Spritzenpumpen Heizer + Temperatursensoren PC / LabVIEW Mischkammer RS-232 Status Synchronisation DAQ Elektronik USB Andreas Schütze, schuetze@lmt.uni-saarland.de 12

13 Mikrothermische Sensoren: Messergebnisse zur Bestimmung von Methanol/Wasser-Gemischen Messzeit: ~ 0,5 sec 13

14 Mikrothermische Sensoren: Messergebnisse zur Bestimmung von Harnstoff/Wasser-Gemischen 14

15 Mikrothermische Sensoren: Technische Daten Chipgröße: 23x23 mm² - aktive Fläche 4x4 mm² Material: Aluminium auf Polyimidfolie Leistungsaufnahme: ~60 mw (in Heizphase) Heizdauer: 1,5 s Bisher erreichte Auflösung (1 Heizpuls): ca. 2 Gew.-% bei Methanol in Wasser ca. 3 Gew.-% bei Harnstoff in Wasser 15

16 Mikrothermische Sensoren: Ausblick Multifunktionaler Sensor mit vier Temperatursensoren Gemischbestimmung durch Temperaturmodulation Strömungsmessung Kompakte Messzelle mittels 3D-Drucker (inkl. Dichtung) 16

17 Fractional Order Sensoren: Aktueller Stand Beschichtungen: PMMA: Dip-coating und Spin-coating Titanoxid (Sol-Gel-Beschichtung, INM) Orientierende Messungen erfolgt Derzeit kein reproduzierbares Verhalten starke Sensordrift nach Zugabe von bidestilliertem Wasser 17

18 Fractional Order Sensoren: Ausblick Sensorverhalten stabilisieren bzw. Gleichgewicht abwarten Optimierung der Sensorstruktur Pitch der Interdigital-Strukturen Porengröße Weitere Beschichtungen erproben Aluminiumoxid porösifiziert Zusätzlich Integration einer Chipheizung Messung der Impedanz bei Variation der Temperatur (virtueller Multisensor) 18

19 LEHRSTUHL FÜR MESSTECHNIK Prof. Dr. rer. nat. A. Schütze Besonderer Dank gilt Dipl.-Ing. Bastian Schmitt Anmerkung: Nach Messepräsentation (HMI 2012) diverse Anfragen potentieller Partner für weitere Entwicklung der Konzepte Andreas Schütze, 19