DE3235808A1 - Sensor zum messen des austauschzustandes eines ionenaustauschers und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Abstract

Ein Flüssigkristall-Sichtgerät soll derart beschaffen sein, daß es bei großem Informationsumfang einen raschen Informationswechsel unabhängig von der Umgebungstemperatur bei möglichst geringem schaltungstechnischen Zusatzaufwand für die Sichtgerät-Ansteuerung ermöglicht. Dafür wird ein nematisches Flüssigkristall-Material - vorzugsweise mit verdrehter Phase und gegebenenfalls mit Zusatz dichroitischer Farbstoffe - gewählt, das bei Ansteuerung seiner Elektrodengruppen-Paare mit einer Frequenz oberhalb eines materialspezifischen Übergangs-Frequenzwertes eine dielektrische Anisotropie anderen Vorzeichens aufweist, als bei Ansteuerung unterhalb jenen Übergangs-Frequenzwertes, mit umgebungstemperaturabhängiger Verschiebung des Übergangs-Frequenzwertes. Dadurch kann die Ansteuerung mit unabhängig von der Umgebungstemperatur fest vorgegebenen Frequenzen und Amplituden erfolgen, weil die Vergrößerung des Betrages der dielektrischen Anisotropie bei niedrigeren Umgebungstemperaturen höhere Rückstellfeldkräfte erbringt. Anwendung beispielsweise bei großen im Freien installierten, also starken Umgebungstemperaturschwankungen ausgesetzten Anzeigetafeln, etwa für die Verkehrslenkung oder in Sportstätten.

Description

• Beschreibung
• Sensor zum Messen des Austauschzustandes eines Ionenaustauschers und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft einen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
• Es ist bekannt, ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFET) zur Messung von Ionenkonzentrationen in Lösungen, beispielsweise zur pH- oder pNa-Messung einzusetzen, vgl.
• IEEE Trans. on ED, Vol. ED 26, No. 12, December 1979, Seiten 1939 bis 1944. Bei diesen Feldeffekttransistoren ist die metallische Gate-Elektrode entfernt und das Gate stattdessen mit einem dünnen Film, bzw. einer Membran aus anorganischem Material wie SiO2, Si3N4, A1203 usw. überzogen. Diese Membran wirkt ionenselektiv und erzeugt so ein Gate-Feld zur Beeinflussung des Drain-Source-Stroms des Feldeffekttransistors.
• Ionenaustauscher werden zum Austausch von Ionen in einer Lösung benutzt. Die Anwendungsgebiete reichen von einfachen Haushaltsgeräten zur Wasseraufbereitung über Abwässerreinigung bis zu Industrieanlagen. Beispielsweise werden zur Entkalkung von Wasser die härtebildenden Ionen Ca2+ und Mg gegen Na+ ausgetauscht.
• Die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen wird weitgehend beeinflußt von der Anzahl der notwendigen Regenerierzyklen. Nun ist zwar die Einsatzdauer von Ionenaustauschern vorgegeben durch ihre Austauschkapazität. Um der Sicherheit der Prozesse willen wird jedoch ein Austauscher nie bis zur völligen Erschöpfung betrieben, sondern bereits vor der Erschöpfung regeneriert. Da eine beginnende Erschöpfung nicht meßbar ist, wird in der Regel ein Sicherheitsspielraum eingebaut. Das heißt, eine Regeneration wird durchgeführt zu einem Zeitpunkt, an dem sie noch nicht notwendig ist. Meist wird dabei ein Erfahrungswert zugrundegelegt, z.B. eine bestimmte Benutzungsdauer oder eine bestimmte Anzahl von Prozessen (z.B. in Hausgeräten).
• Weicht die Benutzung in Ausnahmefällen von der Norm ab, so kann eine Erschöpfung des Ionenaustauschers eingetreten sein bevor eine Regeneration erfolgt ist. Dieser Zustand wird in der Regel erst in einer Störung des Prozeßablaufs oder in unzureichendem Ergebnis erkannt, also zu einem Zeitpunkt, in dem bereits ein Schaden entstanden ist. Eine weit größere Nutzung der Austauschkapazität und eine Erhöhung der Betriebssicherheit wäre möglich, wenn ein Sensor zur Verfügung stünde, welcher den Erschöpfungszustand oder die beginnende Erschöpfung eines Austauschers anzeigt und im Zusammenhang damit ein Signal abgibt, das zur Inbetriebnahme des Regeneriervorganges benutzt werden kann.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, welcher einfach und zuverlässig ist. Der erfindungsgemäße Sensor ist im Patentanspruch 1 beschrieben, erfindungsgemäße Herstellungsverfahren in den Patentansprüchen 3 und 5. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen bzw.
• Ausführungen der Erfindung.
• Die Erfindung wird im folgenden noch näher erläutert.
• Die Erfindung geht aus von der Überlegung, daß sich beim Austausch von Ionen in einer Ionenaustauschermatrix deren chemisches Potential ändert. Wird nun eine derartige Ionenaustauschersubstanz an die Stelle des Gates auf einen ionensensitiven Feldeffekttransistor (ISFET) aufgebracht, so läßt sich die Änderung des chemischen Potentials messend verfolgen. Da nämlich bei einer Änderung des Austauschzustandes die Anordnung insgesamt neutral bleibt, sich also das elektrochemische Potential nicht ändert, muß einer Änderung des chemischen Potentials eine entsprechende Änderung des elektrischen Potentials gegenüberstehen.
• Dieses trägt aber als zusätzliches Potential zum Gatepotential des ISFET's bei und bewirkt eine Änderung des Drain-Source-Stromes.
• Als Beispiel für die Wirkungsweise geben wir die Kapazitäts-Spannungskurve einer Schichtfolge bestehend aus Ionenaustauschersubstanz in PVC, SiO2, p-Si an. Die Kapazitäts-Spannungskurven (CU-Kurven) an Varaktoren werden in der Halbleitertechnologie allgemein als Test für die Funktion der entsprechenden Transistoren herangezogen. Die Lage der CU-Kurven steht nämlich in direkter Beziehung zur Schwellspannung der in gleicher Technologie hergestellten Transistoren. Die CU-Kurven für drei verschiedene Austauschstadien 1, 2, 3 sind in FIG. 1 dargestellt. Es ergibt sich eine eindeutige Verschiebung der Kurven zu positiven Werten in Abhängigkeit von der Stellung des Kations in der Selektivitätsreihe. Insbesondere beim Übergang von H+-Beladung zur Na + -Beladung findet eine Verschiebung um etwa 400 mV statt. Diese Verschiebung entspricht einer Änderung der Schwellspannung eines analog aufgebauten ISFET's um den gleichen Betrag.
• Der ISFET kann nach dem jeweiligen Stand der Technik hergestelt werden. Die im zu betrachtenden Ionenaustauscher verwendete Substanz wird als Schicht auf dem Gatebereich dieses Bauelements aufgebracht. Da Ionenaustauschermaterialien organische Harze darstellen, die in Lösungsmitteln nicht löslich sind, ist dieser Vorgang nicht einfach durchzuführen. Wir geben dazu zwei Lösungsbeispiele: Verfahren 1: Pulverisieren der Ionenaustauschersubstanz in Körner ( i pm. Abtrennen größerer Teilchen durch Sedimentation, Aufschlämmen der Teilchen in einer Lösung von PVC in Tetrahydrofuran. Diese Lösung kann nach bekannten Verfahren zu einem Film verarbeitet werden, der die Ionenaustauscherteilchen eingebettet enthält.
• Verfahren 2: Herstellen des Ionenaustauschers aus seinen Komponenten direkt auf dem Bauelement (ISFET).
• Man wird auf den ISFET immer diejenige Austauschersubstanz aufbringen, deren Zustand man z.B. in einer Säule messen möchte. Für den praktischen Einsatz können sich ein oder mehrere derartig aufgebaute ISFET's als Sensoren in einer Austauschersäule befinden. Die Veränderung der Schwellspannung zeigt die Erschöpfung an.
• In FIG. 2 ist gezeigt, wie sich bei Einbau mehrerer Sensoren 7 in die Austauschersäule das Wandern der Austauschzone verfolgen läßt. Eine Austauschersäule in Gl-Form wird mit einer auszutauschenden Substanz G2 beschickt. Teil 4 der Säule ist bereits ausgetauscht. In der Austauschzone 5 liegen beide Zustände G1 und G2 vor, während im unteren Teil 6 der Säule der Ionenaustauscher noch in G1-Form vorliegt. Die Austauschzone wandert von oben nach unten durch die Säule. Wird nun mit den Sensoren 7 der Zustand des Austauschers in den betreffenden Teilstücken der Säule gemessen, so ist leicht festzustellen, wann die Austauschzone einen kritischen Bereich erreicht.

Claims (5)

1. Patentansprüche It2Sensor zum Messen des Austauschzustandes eines Ionenaustauschers, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate eines ionensensitiven Feldeffekttransistors, auf welches eine Membran ionensensitiven Materials aufgebracht ist, in den Ionenaustauscher eintaucht, und daß die Membran im wesentlichen aus der Austauschersubstanz hergestellt ist, welche im Ionenaustauscher verwendet ist.
2. 2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gates mehrerer Feldeffekttransistoren an verschiedenen Stellen in den Ionenaustauscher eintauchen, derart, daß der örtliche und zeitliche Verlauf des Austauschvorgangs messend verfolgt werden kann.
3. 3. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauschersubstanz fein pulverisiert wird und in einer Kunststoffmatrix auf das Gate aufgebracht wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Pulverisieren der Austauschersubstanz in Körner < 1 um.

   - Abtrennen größerer Teilchen durch Sedimentation.

   - Aufschlämmen der Körner in einer Lösung von PVC in Tetrahydrofuran.

   - Verarbeiten der Lösung zu einem Film.

   - Aufbringen des Films auf das Gate des Feldeffekttransistors.
5. 5. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauschersubstanz aus ihren Komponenten direkt auf dem Gate aufgebaut wird.