Biocompatible Capacitive Sensor for Smart Farming

Abstract

Die Vereinten Nationen prognostizieren ein mögliches Wachstum der Weltbevölkerung auf 9,7 Milliarden Menschen bis zum Jahr 2050. Dies führt zu einem steigenden Bedarf an Nahrungsmitteln, bei gleichzeitig begrenzten Ressourcen. Um eine nachhaltigere Lebensmittelproduktion zu ermöglichen, ist integrated pest management für die Zukunft der Landwirtschaft unerlässlich. Neuartige, biokompatible und miniaturisierte Sensoren ermöglichen dafür, die direkte Messung an der Pflanze. Insbesondere die Messung von Blattfeuchte kann einem Frühwarnsystem dienen. In dieser Arbeit wird ein kapazitiver, miniaturisierter und biokompatibler Sensor zur Messung von Blatt- und Luftfeuchtigkeit erforscht. Die Signalwandler sind planare integrierte interdigitale Elektroden (IDE), die mit einer feuchteempfindlichen Schicht bedeckt sind. Die Wechselwirkung von Wasser mit der sensitiven Schicht verändert die relative Permittivität der Sensorschicht. Bei der Sensorschicht handelt es sich um das biokompatible Parylene C, das auch als Passivierungsschicht gegen Feuchtigkeit und aggressive Chemikalien dient. Parallel dazu wird das Standardmaterial Polyimid getestet, da es kostengünstig ist und sich eignet, die Sensoreigenschaften vergleichbar zu charakterisieren. Zunächst wird der Sensor modelliert und entworfen. Der Signalpfad mit dem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) wird erläutert. Ein analytisches Modell wird kurz beschrieben, während ein Finite-Elemente-Modell (FEM) verwendet wird, um die Sensorgeometrie für die relative Empfindlichkeit zu optimieren. Die modellierten Ergebnisse werden mit gemessenen Daten verifiziert. Zunächst wird die Grundkapazität gemessen. Mit einem ASIC wird die dynamische Antwort des Sensors auf wechselnde relative Luftfeuchtigkeit gemessen. Außerdem werden Stresstests bei hoher Luftfeuchtigkeit und Temperatur durchgeführt. Die Parylene Sensoren werden unter einer kondensierenden Atmosphäre getestet. Des Weiteren werden zytotoxische Tests durchgeführt, um die Biokompatibilität nachzuweisen. Die Charakterisierung und der Vergleich der Parylene C Sensoren mit Polyimid Sensoren beweisen das Funktionsprinzip des Sensor-Material-Systems unter Laborbedingungen. Der Kondensationstest zeigt, dass das System unter relevanten Bedingungen funktioniert. Die FEM-Modellverifizierung zeigt, dass modellierte und gemessene Daten sich aufgrund einer Prozessabweichung in der Herstellung unterscheiden. Durch die Optimierung werden die Elektrodenbreite und der Abstand vergrößert, um die relative Empfindlichkeit zu verdoppeln. Mit Parylene C Sensoren wird die Blattnässedauer von Gurken im Gewächshaus gemessen. Als Teil eines Entscheidungshilfesystems für Landwirte wird ein Algorithmus zur Taupunktunterschreitung vorgeschlagen. Außerdem wird der Sensor in einen teilweise biologisch abbaubaren Sensorknoten integriert. Diese Entwicklungen eröffnen das Feld für die Messung des Mikroklimas von Pflanzen und für eine intelligente, präzise Landwirtschaft. Darüber hinaus ebnet das Modell des Sensors den Weg für andere kapazitive Sensorsysteme mit neuen Materialien oder Geometrien und die ergänzende Integration eines Mikrocontrollers oder zusätzlicher MEMS-Sensoren.