Contrôle du capteur de pH basé sur l'ISFET réussi à être miniaturisé et optimisé pour une utilisation simple

Électronique analogique à faible consommation. © Fraunhofer IPMS / Électronique analogique à faible consommation. © Fraunhofer IPMS

Électronique d'évaluation USB pour les ISFET du Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Le Fraunhofer-Institut pour les microsystèmes photonique IPMS a atteint une nouvelle étape importante dans l’analyse chimique des liquides. L’électronique nécessaire pour piloter les transistors à effet de champ sensibles aux ions (ISFET) a pu être miniaturisée de plusieurs ordres de grandeur. Parallèlement, il a été possible de réduire les coûts de fabrication et la consommation d’énergie. La nouvelle électronique peut être fournie pour une utilisation directe ou pour l’intégration dans ses propres systèmes de mesure.

Les ISFET permettent la mesure continue et précise du pH en déterminant en temps réel la concentration de certains ions dans l’eau ou d’autres milieux aqueux. Après le développement remarquable de capteurs pH à base de pentoxyde de niobium, le Fraunhofer IPMS annonce une nouvelle réussite : les nouveaux systèmes de mesure fonctionnent avec une consommation d’énergie encore plus faible qu’auparavant. « Après près d’un an de développement, nous avons réussi à piloter nos ISFET Nb2O5 de manière à ce qu’ils puissent mesurer en continu avec une consommation électrique inférieure à 1,3 mW, y compris l’électronique », se réjouit le chef de domaine de la détection chimique au Fraunhofer IPMS, Dr Olaf R. Hild. La consommation électrique du système de capteurs n’est que de 190 µW. La consommation d’énergie et la taille sont des paramètres essentiels pour les systèmes de mesure mobiles.

Les applications concernent la surveillance continue des cours d’eau et l’analyse environnementale. Mais aussi, à plus long terme, des applications en technologie médicale, telles que l’analyse de diverses liquides corporels, nécessitent des systèmes de mesure à la fois économes en énergie et compacts.

Les nouvelles électroniques de commande, présentées en mai lors du salon « Sensor et Test » à Nuremberg, sont particulièrement peu gourmandes en énergie et donc plus efficaces, en plus d’être très faciles à manipuler et immédiatement opérationnelles. Il s’agit d’une électronique analogique (<1,3 mW) et d’une électronique numérique connectable via USB-C (environ 100 mW), permettant une calibration sur site rapide : « Étant donné que les ISFET du Fraunhofer IPMS sont extrêmement peu sujets au dérive et présentent une dépendance quasi parfaite à la loi de Nernst, une calibration en un point suffit pour la majorité des applications », explique le développeur électronique Hans-Georg Dallmann. Cela garantit une grande précision, même sur de longues périodes.

Mais l’équipe de Hild n’est pas encore satisfaite de ces résultats : « Le prochain objectif est de réduire la taille des puces ISFET (< 1 mm²) pour pouvoir répondre à des applications limitées par la taille. La salle blanche est parfaitement équipée pour relever ce défi ! », affirme le technologue Falah Al-Falahi.

Les personnes intéressées sont cordialement invitées à échanger avec les chercheurs et chercheuses lors du salon Sensor + Test. Du 6 au 8 mai 2025, les dernières avancées et possibilités d’application seront présentées au stand 1-317 à Nuremberg. Il est possible de prendre rendez-vous à l’avance avec les experts du Fraunhofer IPMS via le site internet de l’institut.

Principes physiques du transistor à effet de champ sensible aux ions du Fraunhofer IPMS

Le nouvel ISFET du Fraunhofer IPMS repose sur la technologie du transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOS), où la zone sensible au milieu consiste en une couche d’oxyde métallique amphotère. Sur cette couche, des ions hydronium ou hydroxyde issus du milieu de mesure se fixent de manière réversible en fonction du pH (couche sensible au pH). La tension de fonctionnement (UDS) de l’ISFET, appliquée entre la source (Source) et le drain (Drain), génère un courant (IDS). Ce courant est maintenu constant pendant la mesure (mode charge constante). Le signal de mesure est alors la tension (UGS) entre la source et la grille ou l’électrode de référence (Ag/AgCl dans 3M KCl).