Selbstreinigender Mikrosensor

Abgesehen von technologischen Hürden im Übergang vom Labormuster zum Feldversuch und marktbedingten Komplikationen stehen die Mikrosensoren, deren Entwicklungsvielfalt schon Bände füllt, einem ganz biogenen Problem gegenüber. "Die Natur duldet kein Weißes", auch keine freibleibende Oberfläche. Während herkömmliche Meßsonden z. Tl. durch ihre Bauform vor zu schneller Verblockung geschützt werden können oder aber regelmäßig gereinigt werden, ist die im Reinraum mikrostrukturierte Oberfläche eines Sensorchips der Vielzahl von Oberflächeneffekten der "Makrowelt" massiv ausgeliefert. Neben der Adhäsion verschiedener Partikelarten und -klassen sind es in Wasser- und Bodenmedien die Mikroorganismen, die aktiv als Aufwuchs (das "Epilithion" der Ökologien, der "Biofilm" der Technologen oder das "fouling" der Schiffbauer) die Oberfläche besiedeln und in kurzer Zeit den Sensor verblocken. Das Signal driftet in unvorhersehbarer Weise und die Standzeit des sensorischen Moduls liegt unterhalb der Effizienzgrenze. Sensorisch aktive Schichten können jedoch nicht durch eine Verkapselung (covering) geschützt werden, da ihr Wirkprinzip meist auf dem unmittelbaren stofflichen Austausch mit der Umgebung beruht. Die in Schiffbau und Wassertechnik üblichen Methoden des "Anti-fouling" würden durch physikalische Querempfindlichkeiten oder chemische Wechselwirkungen das Sensorsignal verfälschen und widersprächen schließlich auch als Gifteinsatz dem Grundanliegen des Umweltschutzes.

Lösungsansätze des Dilemmas bietet die lebende Natur selbst: populär geworden ist die verschmutzungsvermindernde Oberflächenstruktur der Lotos-Cuticula (siehe Bionik-Standort Bonn). Ein aktives Prinzip der Freihaltung chemischer Rezeptoren ist dagegen bei den Zungenpapillen zu finden, bei welchen die v.EBNER'schen Spüldrüsen im Fluidraum vor den Geschmacksknospen ein physiologisches Reset bewirken. Unsere Chemosensoren liegen in eine Grube eingesenkt, die permanent durch dünnflüssigen Speichel freigespült werden muß. Diese Analogien wurden in den Entwurf einer dimensionsgleichen Sensorperipherie eingebracht, die als Modul an verschiedene on_chip-Sensoren angepaßt werden soll. Die oft zu beobachtende Integration von Stellelementen (Aktoren) in den Sinnesorganen (Sensorkomplexen) realisiert im Organismus das Prinzip der Adaptivität.

Erstes Testobjekt

Als erstes Testobjekt für das mikrohydraulische Selbstreinigungs-Modul wurde ein Leitfähigkeitssensor ausgewählt, der auf einer Silizium-Basis in 4-Leiter-Konfiguration aufgedampfte.Gold- bzw. gesputterte Titannitrid-Elektrodenschichten trägt. Der mit einer Wechselspannung variabler Frequenz über einen Instrumentationsverstärker beschaltete Sensor wurde langfristig unter verschiedenen in-vitro- und in-vivo-Bedingungen mikrobiell aktivem Wasser ausgesetzt und die Drift des Meßsignals gegen eine Platin-Referenzmeßzelle ermittelt. Beide Werte wurden zusammen mit einer Temperaturkompensation über einen Multiplexer aufgezeichnet. Innerhalb der ersten 24 h erfolgte eine in ihrem Verlauf schwer determinierbare Abnahme der Sensorreaktion, die auf ein Ursachenkomplex hindeutet, der zeitlich gestaffelt erfolgt: 1. physikochemische Prozesse und ionische Abscheidungen; 2. Adsorption makromolekularer Stoffe (z.B. Huminsäuren) und partikuläre Adhäsionen (conditioning film) 3. Biofilmbildung durch Bewuchs mit epilithischen Mikroorganismen (Bakterien, Algen, Protozoen) und ihrer extrazellulären Schleim-Matrix.

Umsetzung der Selbstreinigung

Die Prüfung der Effektivität der Sensorreinigungskomponente, bei der unter einer mittels Piezokeramik getriebenen schwingungsfähigen Membran Ultraschall-Kavitationen (im kHz-Bereich) und strömungsbedingte Scherkräfte in der Flüssigkeitsschicht unmittelbar über der Sensoroberfläche periodisch erzeugt werden, erfolgte nach experimentellem Ausschluss anderer üblicher Verfahren der Entkeimung (z.B. UV-C-Strahlung). Für letztere weisen mikroelektronische Strukturen grundsätzlich Querempfindlichkeiten auf, die der Forderung der Rückwirkungsfreiheit der Reinigungsmethode entgegenstehen.