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Fachgebiet Sensorik und Messtechnik

Forschungsschwerpunkte

  • Schneller Nachweis kleinster Stoffkonzentrationen in Flüssigkeiten und Gasen (Luft)
  • Ionenmobilitätsspektrometrie (alle Aspekte), u.a. kompakte ultra-hochauflösende IMS, miniaturisierte low-cost IMS, IMS-MS und GC-IMS mit geschlossenem Gaskreislauf
  • Quantitative Ionenmobilitätsspektrometrie bei Unterdruck (HiKE-IMS)
  • Ionisationsquellen, z.B. CD, UV, ESI, DBD, x-Ray, nicht-radioaktive Elektronenstrahler
  • Chemische Gasphasenionisation bei Atmosphärendruck (APCI)
  • APCI- und PTR-MS (Ionenquellen, Ionentransfer, Hardwareentwicklung)
  • Analytische Systemmodellierung und FEM-Simulationen (multi-physics)
  • Mikrosystemtechnik: Technologie- und -Designkompetenz
  • Sensorentwicklung (alle Aspekte), u.a. Nanosensoren und elektromagnetische Sensoren
  • Elektronik (analog und digital)
  • Kalibriergasgenerierung (ppb)
  • Prototypenbau bis hin zu Kleinserienfertigung (mechanische CNC Werkstatt)
  • Sensoren und Messsysteme für die Medizintechnik, Biotechnologie, Umweltmesstechnik und Sicherheitstechnik


    Forschungsprofil

    Das Fachgebiet Sensorik und Messtechnik am Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik der Leibniz Universität Hannover konzentriert seine Aktivitäten vornehmlich auf die Erforschung neuer physikalischer und chemischer Sensorprinzipien sowie die Entwicklung neuer Sensoren (insbesondere Nanosensoren) bis hin zu kompakten Messsystemen zur schnellen Detektion kleinster Stoffkonzentrationen in Flüssigkeiten und Gasen (Luft) überwiegend für medizin-, bio-, umwelt- und sicherheitstechnische Anwendungen. Hierbei werden sowohl grundlegende wissenschaftliche Fragestellungen untersucht als auch applikationsorientierte Forschungsprojekte in enger Kooperation mit wissenschaftlichen, klinischen und industriellen Partnern durchgeführt.

    Das Fachgebiet Sensorik und Messtechnik verfügt über langjährige Erfahrungen und umfassendes Know-how im Bereich der Gasmesstechnik, insbesondere beim Nachweis kleinster Stoffkonzentrationen in Luft. Ein Schwerpunkt ist die Entwicklung kompakter hochauflösender Ionenmobilitätsspektrometer (IMS). Hierbei werden alle relevanten Aspekte von der analytischen Systemmodellierung und numerischen FEM-Simulation über den Systementwurf, die Konstruktion und Bauteilfertigung bis hin zur Entwicklung spezieller Elektronik, wie schnelle und besonders rauscharme Verstärker, schnelle Hochspannungsschalter und Datenerfassungsmodule mit hoher vertikaler und zeitlicher Auflösung, betrachtet. Ein besonderer Fokus liegt auf der Entwicklung nicht-radioaktiver Ionisationsquellen (UV- und Elektrosprayionisationsquellen, dielektrisch behinderte und Koronaentladungsquellen sowie schwache Röntgen- und nicht-radioaktive Elektronenstrahler) für die Gaschromatographie, Ionenmobilitätsspektrometrie, Massenspektrometrie und Sensorik. In diesem Zusammenhang werden auch verwandte Themen untersucht, wie die chemischen Ionisationsprozesse bei Atmosphärendruck, und neue Verfahren erforscht, wie der Betrieb eines IMS bei reduziertem Druck (HiKE-IMS) mit dem Ziel einer schnellen und quantitativen Detektion kleinster Stoffkonzentrationen im unteren ppbv-Bereich selbst in komplexen Gasgemischen und einer deutlichen Erweiterung des nachweisbaren Stoffspektrums. Weiterhin werden kombinierte Systeme aufgebaut, wie kompakte IMS mit geschlossenem Gaskreislauf und schneller gaschromatographischer Vortrennung (GC-IMS) oder Kopplungen zwischen IMS und Massenspektrometern (IMS-MS).

    Neben der Ionenmobilitätsspektrometrie werden am Fachgebiet Sensorik und Messtechnik auch neue chemische und biochemische Sensoren auf Basis verschiedenster Sensorprinzipien mit unterschiedlichsten selektiven Sensorschichten erforscht. Ebenso gehören elektromagnetische Sensoren und Messverfahren, beispielsweise zur Detektion von Biomarkern, zur nicht-invasiven Überwachung von Bioprozessen durch die Reaktorwand hindurch oder die Charakterisierung von menschlichem Gewebe, zum sehr breiten Spektrum von Sensoren, Messverfahren und Applikationen des Fachgebietes Sensorik und Messtechnik. Sensorentwurf und -optimierung werden durch die Entwicklung analytischer Modelle und numerischer FEM-Simulationen unterstützt. Für die erfolgreiche Entwicklung von Sensoren und kompletten Messsystemen besteht zudem umfassendes Know-how bei der Entwicklung applikationsspezifischer Elektronik.

    Aktuelle Anwendungsschwerpunkte sind die Detektion von Gefahrstoffen in Luft und Wasser, die Identifikation von Bakterien anhand ihrer flüchtigen Stoffwechselprodukte, die Analyse der Atemluft, der Nachweis von Biomarkern und die Bioprozessüberwachung und -kontrolle. Das Fachgebiet Sensorik und Messtechnik verfügt über hervorragend ausgestattete Laboratorien und Werkstätten, wie Chemielabore mit Referenzanalytik und Gasdosiersystemen für die Einstellung definierter Gaskonzentrationen im unteren ppb-Bereich, Elektroniklabore und mechanische Werkstätten (CNC) zur Bauteilfertigung bis hin zur Kleinserienproduktion. Sowohl die mechanischen als auch die Elektronikwerkstätten werden von erfahrenen technischen Mitarbeitern geleitet.

    Das Fachgebiet Sensorik und Messtechnik wurde in 2009 unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Stefan Zimmermann an der Leibniz Universität Hannover neu aufgebaut. Vor seinem Ruf auf die Professur für Sensorik und Messtechnik war Stefan Zimmermann von 2004 bis 2009 in der Forschungsabteilung der Drägerwerk AG & Co. KGaA, Lübeck mit der Entwicklung neuer Sensoren und Messsysteme für die Medizin- und Sicherheitstechnik betraut und dort zuletzt als Leiter der Abteilung für Chemische und Biochemische Sensoren tätig. In der Zeit von 2001 bis 2004 arbeitete Stefan Zimmermann als Postdoc am Berkeley Sensor and Actuator Center, Berkeley, University of California, USA mit Unterstützung eines Feodor-Lynen Forschungsstipendiums der Alexander von Humboldt-Stiftung an MEMS und BioMEMS, u.a. zur minimal-invasiven und kontinuierlichen Glukosemessung. Vor seinem Auslandsaufenthalt studierte Stefan Zimmermann Elektrotechnik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg und promovierte anschließend von 1996 bis 2004 im Arbeitsbereich Mikrosystemtechnik der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Während seiner Doktorarbeit befasste er sich mit der Realisierung eines miniaturisierten Flammenspektrometers für die Analyse von Körperflüssigkeiten und eines miniaturisierten Flammenionisationsdetektors für die Gaschromatographie.

    Diese langjährigen Erfahrungen und das umfassende Know-how bei der Detektion kleinster Stoffkonzentrationen in Flüssigkeiten und Gasen in den unterschiedlichsten Anwendungen sollen auch zukünftig in Verbundprojekten und gemeinsamen Forschungsaktivitäten mit wissenschaftlichen, klinischen und industriellen Partnern zur Entwicklung neuer Sensoren und spezieller Sensorelektronik gewinnbringend eingesetzt werden.

    Ausstattung und Know-how auf einen Blick: Detektion kleinster Stoffkonzentrationen in Gasen und Flüssigkeiten, kompakte hochauflösende Ionenmobilitätsspektrometer (IMS), GC-IMS, IMS-MS, HiKE-IMS, nicht-radioaktive Ionisationsquellen (UV, DBD, CD, ESI, Röntgen- und Elektronenstrahler), Gassensoren, chemische Sensoren, Nanosensoren, selektive Sensorschichten, elektromagnetische Sensoren, spezielle Elektronik, numerische Systemmodellierung und FEM-Simulationen, elektronische und mechanische (CNC) Werkstätten, Gasdosiersysteme (ppb-Bereich), Medizintechnik (z.B. Atemgasanalyse und Gewebeuntersuchungen), Biotechnologie (nicht-invasive Bioprozesskontrolle und Detektion von Biomarkern) und Sicherheitstechnik (Gefahrstoffdetektion in Luft und Wasser).

    Projekte im Fachgebiet SMT