ToMess Multisensormodul

Mikrostrukturierte Reaktoren halten seit mehreren Jahren erfolgreich Einzug in die Labore und Produktionsanlagen der Groß- und Feinchemie sowie der Medizin. Weltweite Forschungsaktivitäten zeigen eindrucksvoll, dass sich durch den Einsatz der mikroverfahrenstechnischen Komponenten eine Vielzahl von reaktionstechnischen Vorteilen in chemischen Prozessen erzielen lassen.

Hingegen ist die Auswahl an geeigneten Sensoren zur Überwachung der Zustandsgrößen eher gering. Vielfach werden modifizierte Sensoren aus der Prozesstechnik verwendet. Nachteilig ist das im Vergleich zur mikroverfahrenstechnischen Komponenten hohe innere Volumen, welches durch die Verwendung verschiedener Sensoren für die vier wichtigen Zustandsgrößen

• Temperatur
• Druck
• Massen oder Volumenfluss und
• Konzentration

noch ansteigt.

Die Messung der Zustandsgrößen ist sowohl für die Prozessführung als auch für die Betriebssicherheit der Anlage notwendig. Basierend auf den speziellen Anforderungen für Sensoren in der Mikroverfahrenstechnik wurde ein Sensormodul entwickelt, welches diese Größen simultan aufnimmt und über geeignete Schnittstellen direkt an der mikroverfahrenstechnischen
Komponente angebracht werden kann.

Sensorprinzip und Zielparameter

Die Basis bildet eine Strömungszelle aus Silizium mit auf Silizium basierende Sensoren. Die medienberührenden Werkstoffe sind weitgehend chemisch resistent und können über Schichtsysteme weiter passiviert werden, z.B. Siliziumnitrid. Das obere Bild zeigt die komplette Durchflusszelle mit der Kanalplatte, die die vier Sensoren aufnimmt und das Fluid zu den Sensoren leitet. Der Druck wird piezoresistiv über implantierte Messwiderstände in der Siliziumbiegeplatte ausgewertet.

Die Kanalplatte ist derart ausgebildet, dass die Verweilzeitverteilung nicht wesentlich beeinflusst wird. Eine Temperaturdiode wird zur Temperaturmessung verwendet, diese ist im Drucksensor integriert und dient gleichzeitig zur softwareseitigen Temperaturkompensation der Messbrücke. Der Volumenstrom leitet sich aus dem Differenzdruck an einer Engstelle ab. Den Abschluss bildet eine Interdigitalstruktur zur Impedanzmessung bzw. Impedanzspektroskopie. Die Konzentrationsmessung über die Impedanz stellt nur eine Möglichkeit dar, diese ist nur geeignet, wenn die Impedanz von der Konzentration abhängt, z.B. bei Ionischen Flüssigkeiten. Über eine geeignete Schnittstelle (USB, Kompatibel mit Labview ®, optional drahtlos Datenübertragung), ist die direkte Integration des Sensormoduls in die Mikroverfahrenstechnik und die in situ Messung möglich. Zur Evaluierung des Sensors steht ein Labview®-Programm zur Verfügung.