ISFET-based pH sensor control successfully miniaturized and optimized for easy use

Nízkopříkonová analogová elektronika. © Fraunhofer IPMS

USB-evaluierungs elektronik für ISFETs des Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS dosáhl dalšího milníku v chemické tekutinové analytice. Elektronika potřebná k řízení iontově citlivých polem efektových tranzistorů (ISFET) byla zmenšena o několik řádů velikosti. Současně se podařilo snížit výrobní náklady a spotřebu energie. Nová elektronika může být použita přímo nebo integrována do vlastních měřicích systémů.

ISFETy umožňují kontinuální a přesné měření hodnot pH tím, že v reálném čase určují koncentraci určitých iontů ve vodě nebo jiných vodných médiích. Po vynikajícím vývoji ISFET pH senzorů založených na niobpentoxidové technologii hlásí Fraunhofer IPMS opět velký úspěch: nové měřicí systémy pracují s ještě nižší spotřebou energie než dříve. »Po téměř roce vývoje se nám podařilo řídit naše Nb2O5-ISFETy tak, aby mohly kontinuálně měřit s příkonem menším než 1,3 mW včetně elektroniky«, říká vedoucí oddělení chemické sensoriky ve Fraunhofer IPMS, Dr. Olaf R. Hild. Spotřeba energie senzorem je přitom pouze 190 µW. Spotřeba energie a velikost jsou klíčové parametry pro mobilní měřicí systémy.

Použití najdou v kontinuálním sledování vodních toků a environmentální analýze. Ale i dlouhodobé aplikace v medicíně, jako je analýza různých tělesných tekutin, vyžadují výkonné a malé měřicí systémy.

Nové řídicí elektroniky, které budou představeny v květnu na veletrhu »Sensor a Test« v Norimberku, jsou zvlášť energeticky úsporné a tím i efektivnější, navíc jsou velmi snadno ovladatelné a ihned připravené k použití. Jedná se o analogovou elektroniku (<1,3 mW) a digitální elektroniku připojitelnou přes USB-C (cca 100 mW), která umožňuje rychlou místní kalibraci: »Protože Fraunhofer IPMS-ISFETy jsou extrémně málo driftové a vykazují téměř dokonalou Nernstovu závislost, je pro většinu aplikací dostačná kalibrace jedním bodem«, vysvětluje vývojář elektroniky Hans-Georg Dallmann. Tím je zaručena vysoká přesnost i při delším časovém odstupu.

Ale s dosaženým výsledkem není tým kolem Hilda ještě spokojen: »Dalším cílem jsou menší ISFET čipy (< 1 mm²), aby bylo možné řešit aplikace s omezenou velikostí. Čistící prostor je na tuto výzvu dobře vybaven!«, je přesvědčen technolog Falah Al-Falahi.

Zájemci jsou srdečně zváni k výměně zkušeností s vědci a vědkyněmi na veletrhu Sensor + Test. Od 6. do 8. května 2025 budou na stánku 1-317 v Norimberku představeny nejnovější vývoje a možnosti aplikací. Termíny setkání s experty a expertkami Fraunhofer IPMS lze předem domluvit na webových stránkách ústavu.

Fyzikální základy iontově citlivého polem efektového tranzistoru od Fraunhofer IPMS

Nový ISFET od Fraunhofer IPMS je založen na technologii Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) FET, přičemž oblast senzoru, která přichází do styku s médiem, tvoří amphoterní vrstva oxidu kovu. Na této vrstvě se podle pH hodnoty reverzibilně usazují hydroniové nebo hydroxidové ionty z měřeného média (pH-senzitivní vrstva). Provozní napětí (UDS) ISFETu, které je připojeno mezi zdroj (Source) a výstup (Drain), vede ke vzniku proudu (IDS). Tento proud je během měření udržován stále konstantní (režim konstantního náboje). Jako měřicí signál se používá napětí (UGS) mezi zdrojem a bránou nebo referenční elektrodou (Ag/AgCl v 3M KCl).