Hoffmann, Almuth Margaretha Gabriele (2018)
Kapazitiver Sensor zur präzisen Ortsbestimmung von Phasengrenzen in mikrofluidischen Strukturen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines Sensors zur Überwachung der Flüssigkeitsbewegung in mikrofluidischen Analysegeräten. Je nach Position der Probenflüssigkeit im Mikrokanal müssen z.B. Mischer und Ventile angesteuert werden, um ein richtiges Ablaufen der hochkomplexen chemischen und biologischen Prozesse in dem Analysegerät zu ermöglichen. Zum Zweck der präzisen Positionsbestimmung wird in dieser Arbeit eine einfache, planare Elektrodenstruktur zur kontaktfreien, kapazitiven Messung von flüssig/gas Grenzflächen vorgestellt. Der Sensor liegt außerhalb der Einwegkartusche und zeichnet sich, gegenüber den bisher eingesetzten Lichtschranken, zum einen durch seine Unempfindlichkeit gegenüber Benetzungen der Kanalwände aus und zum anderen ist er einfacher am Kanal anzubringen. Der Moving Plug Sensor (MPS) arbeitet auf Basis der kapazitiv gekoppelten, kontaktfreien Leitfähigkeitsmessung, kurz C 4 D (engl. Contactless Capacitively Coupled Conductivity Detection). Außerhalb des Kanals angebracht, detektiert der MPS eine vorbeifließende Phasengrenze zweier Stoffe durch den Unterschied der Permittivität beider Medien. Von gängigen Füllstandsensoren unterscheidet sich der MPS durch ein System von drei kapazitiv gekoppelten Elektroden. Zwei rechteckige Messelektroden werden von einer rahmenförmigen Schirmelektrode umgeben. Dieses System dreier kapazitiv gekoppelter Elektroden erzeugt ein charakteristisches Signal gekennzeichnet durch zwei Extrema. Das von Kondensatoren bekannte Stufensignal weist einen Unter- gefolgt von einem Überschwinger auf. Die Extrema treten auf, wenn sich die Phasengrenze an zwei spezifischen Punkten im Bereich des Sensors befindet. Dadurch ermöglicht der Sensor eine sehr präzise Positionsbestimmung der Phasengrenze an zwei Stellen und dadurch auch die Bestimmung der Flussrate mit nur einem Sensor. Die Vorteile der neuen Sensorgeometrie gegenüber den bisher verwendeten Lichtschrankensystemen werden sowohl durch Simulationen wie auch durch Messungen bestätigt, die sowohl die Geometrieparameter der Elektroden, als auch die Lage des Sensors zum Kanal und die elektrischen Materialeigenschaften der Flüssigkeit betrachten. Die Signalcharakteristik ist für die kontaktfreie, präzise Positionsbestimmung von Flüssigkeitssäulen in Mikrokanälen optimiert und der Sensor ist für ein breites Spektrum permittiver und gering leitfähiger Flüssigkeiten einsetzbar. Zusammenfassend stellt diese Dissertation eine robuste und präzise messende elektrische Sensorkonfiguration vor, die im Vergleich zu herkömmlichen Messverfahren wie Lichtschranken oder in der Kartusche integrierten Elektroden einige Vorteile aufweist: minimierter Platzbedarf unter der Kartusche, berührungslose Messung, geeignet für opake Kartuschen, kombinierte und präzise Messung der Fluidposition (±50μm) und Geschwindigkeit (< 2%), kostengünstige Fertigung, Kalibrierung basierend auf Geometriefaktoren und dadurch eine einfache Montage. Darüber hinaus lässt sich die Messgenauigkeit durch Geometrieparameter der Elektrodenanordnung an die Lage des Sensors zur Kartusche anpassen.

Frage zum Eintrag

Redaktionelle Details anzeigen