Hydrogelsensoren der zweiten Generation

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Piezoreisistive chemische Sensoren auf der Basis von Hydrogelen nutzen deren Quellverhalten unter dem Einfluss der Konzentration bestimmter Ionen (pH-Sensoren, Sensoren zur Messung von Metallsalzkonzentrationen) oder chemischer Spezies (z. B. Alkohole) in wässrigen Lösungen aus. Austauschprozesse unterschiedlicher Ionen bzw. Lösungsbestandteile im Hydrogel führen zu relativ langen Einstellzelten. Gleichzeitig liegt der nutzbare Bereich der Ausgangsspannungs- Konzentrationskennlinie nur in einem begrenzten Konzentrationsbereich vor. Wasser- und lonentransportprozesse im Hydrogel beeinflussen nicht nur die viskoelastischen Hydrogeleigenschaften, sondern wirken sich durch Hysterese- und Kriechprozesse nachteilig auf das Sensorverhalten aus. Das geplante Vorhaben soll die geschilderten Nachteile weitgehend überwinden. Folgende wissenschaftliche Lösungsansätze sind zu untersuchen und zu einer Gesamtlösung zusammen zu führen: Durch das Aufbringen elektrischer Felder direkt im Sensor soll das lonengleichgewicht elektrolytischer Gele gezielt beeinflusst und damit eine verbesserte Regeneration sowie ein besserer Austausch beweglicher Ionen mit weiteren positiven Auswirkungen, wie eine Verringerung des Abschirmeffekts und der Hystereseaufweitung, erreicht werden. Eine zusätzliche Verbesserung der Austauschprozesse kann durch makroporöse Hydrogele erzielt werden. Durch Verwendung von Hydrogelen mit mehreren sensitiven Komponenten soll der proportionale Kennlinienbereich zwischen Ausgangsspannung und Konzentration verbreitert werden. Hysterese- und Kriechprozesse in polyelektrolytischen Hydrogelen lassen sich minimieren, wenn die Stofftransportprozesse im Hydrogel minimiert werden. Durch Anwendung des Kraftkompensationsprinzips soll der Sensor im quasi ungequollenen Zustand gehalten werden. Alle vorgeschlagenen Ansätze sind theoretisch zu untersuchen und experimentell zu validieren. An einem Demonstrator soll die Anwendbarkelt der vorgeschlagenen Lösungsansätze gezeigt werden.