Control de sensores de pH basados en ISFET miniaturizado con éxito y optimizado para un uso sencillo

Electrónica analógica de bajo consumo. © Fraunhofer IPMS / Electrónica analógica de bajo consumo. © Fraunhofer IPMS

Electrónica de evaluación USB para ISFETs del Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

El Instituto Fraunhofer para Sistemas Microópticos Fotónicos IPMS ha alcanzado otro hito en el análisis químico de líquidos. La electrónica necesaria para controlar los transistores de efecto campo sensibles a iones (ISFET) ha sido miniaturizada varias veces. Al mismo tiempo, se ha logrado reducir los costos de fabricación y el consumo de energía. La nueva electrónica puede ser utilizada directamente o integrada en sistemas de medición propios.

Los ISFET permiten la medición continua y precisa del pH, determinando en tiempo real la concentración de ciertos iones en agua u otros medios acuosos. Tras el destacado desarrollo de sensores ISFET de pH basados en pentóxido de niobio, el Fraunhofer IPMS anuncia nuevamente un gran éxito: los nuevos sistemas de medición funcionan con un consumo de energía aún menor que antes. »Después de casi un año de desarrollo, hemos logrado controlar nuestros ISFETs de Nb2O5 de manera que puedan medir continuamente con un consumo de energía inferior a 1,3 mW, incluyendo la electrónica«, comenta el director del área de Sensores Químicos en el Fraunhofer IPMS, Dr. Olaf R. Hild. El consumo de energía del sistema de sensores es de solo 190 µW. El consumo de energía y el tamaño son parámetros esenciales para sistemas de medición móviles.

Las aplicaciones surgen en la monitorización continua de ríos y en análisis ambientales. Pero también, aplicaciones dirigidas a largo plazo en tecnología médica, como el análisis de diversas sustancias corporales, requieren sistemas de medición eficientes en energía y compactos.

La nueva electrónica de control, que será presentada en mayo en la feria «Sensor y Test» en Nuremberg, es especialmente de bajo consumo y, por tanto, más eficiente en energía, además de ser muy fácil de manejar y estar lista para su uso inmediato. Se trata de una electrónica analógica (<1,3 mW) y una electrónica digital conectable mediante USB-C (aprox. 100 mW), que permite una calibración rápida en el lugar: »Dado que los ISFET del Fraunhofer IPMS son extremadamente resistentes al desplazamiento y muestran una dependencia casi perfecta de la Nernst, para la mayoría de las aplicaciones una calibración en un solo punto es suficiente«, explica el desarrollador de electrónica Hans-Georg Dallmann. Esto garantiza una alta precisión, incluso a lo largo de períodos prolongados.

Pero el equipo de Hild aún no está satisfecho con lo logrado: »El próximo objetivo son chips ISFET más pequeños (< 1 mm2), para poder abordar aplicaciones limitadas por tamaño. ¡La sala limpia está perfectamente equipada para este desafío!«, asegura el tecnólogo Falah Al-Falahi.

Los interesados están cordialmente invitados a intercambiar ideas con los científicos y científicas en Sensor + Test. Del 6 al 8 de mayo de 2025, en el stand 1-317 en Nuremberg, se presentarán los últimos desarrollos y posibilidades de aplicación. Las citas con los expertos del Fraunhofer IPMS pueden concertarse previamente en la página web del instituto.

Fundamentos físicos del transistor de efecto campo sensible a iones del Fraunhofer IPMS

El novedoso ISFET del Fraunhofer IPMS se basa en la tecnología de transistores de efecto campo de semiconductor de óxido metálico (MOS), donde la zona sensor en contacto con el medio consiste en una capa de óxido metálico anfótero. En esta capa, se adhieren de manera reversible iones de hidronio o hidroxilo del medio de medición, según el pH (capa sensible al pH). La tensión de operación (UDS) del ISFET, aplicada entre la fuente (Source) y el drenaje (Drain), produce una corriente (IDS). Esta corriente se mantiene constante durante la medición (modo de carga constante). La señal de medición se obtiene entonces a partir de la tensión (UGS) entre la fuente y la compuerta o electrodo de referencia (Ag/AgCl en KCl 3M).