ISFET-alapú pH-érzékelő vezérlés sikeresen miniatürizálva és egyszerű használatra optimalizálva

Alacsony fogyasztású analóg elektronika. © Fraunhofer IPMS / Low-power analog electronics. © Fraunhofer IPMS

USB-értékelő elektronika az ISFET-ekhez a Fraunhofer IPMS-től. © Fraunhofer IPMS

A Fraunhofer Fotonikai Mikroszystemek Intézete (IPMS) új mérföldkövet ért el a kémiai folyadékelemzés terén. Az ionérzékelő mezőeffektusú tranzisztorokhoz (ISFET) szükséges elektronikák többszörösére kicsinyíthetők voltak. Egyidejűleg sikerült csökkenteni a gyártási költségeket és a teljesítményfelvételt. Az új elektronikák közvetlen használatra vagy saját mérőrendszerekbe való integrációra készültek.

Az ISFET-ek lehetővé teszik a pH-értékek folyamatos és pontos mérését, mivel valós idejű módon határozzák meg bizonyos ionok koncentrációját vízben vagy más vízben oldott közegben. A Niobpentoxid-alapú ISFET-pH érzékelők kiváló fejlesztése után a Fraunhofer IPMS ismét nagy sikerről számol be: az új mérőrendszerek még alacsonyabb áramfelhasználással működnek, mint korábban. „Majdnem egy év fejlesztési idő után sikerült úgy irányítani az Nb2O5-ISFET-eket, hogy azok 1,3 mW-nál kisebb energiafelhasználással, elektronikával együtt folyamatos mérést végezzenek,” örül Dr. Olaf R. Hild, a Fraunhofer IPMS Kémiai Szenzorok Osztályának vezetője. A szenzor rendszer energiafelhasználása mindössze 190 µW. Az energiafogyasztás és az építési méret alapvető paraméterek a mobil mérőrendszerek számára.

Alkalmazások között szerepel a folyamatos víztest-figyelés és környezetanalitika. De hosszú távon is fontosak az orvostechnikai alkalmazások, például különféle testnedvek elemzése, ahol energiahatékony és kisméretű mérőrendszerekre van szükség.

Az új irányításelektronikák, amelyeket májusban mutatnak be a „Sensor és Teszt” kiállításon Nürnbergben, különösen alacsony energiafogyasztásúak és így energiahatékonyabbak, emellett nagyon könnyen kezelhetők és azonnal használatra kész állapotban vannak. Egy analóg elektronika (<1,3 mW) és egy USB-C-vel csatlakoztatható digitális elektronika (kb. 100 mW) található, amelyek lehetővé teszik gyors helyszíni kalibrálást: „Mivel az IPMS-ISFET-ek rendkívül alacsony driftűek és szinte tökéletes Nernst-függést mutatnak, a legtöbb alkalmazás esetében egy ponton történő kalibráció elegendő,” magyarázza Hans-Georg Dallmann elektronikai fejlesztő. Ez magas pontosságot garantál még hosszabb időszakokon keresztül is.

Azonban Hild csapata még nem elégedett az eddigi eredményekkel: „A következő cél a kisebb ISFET-chip-ek (<1mm2), hogy a méretkorlátos alkalmazásokat is ki tudjuk szolgálni. A tisztatér kiválóan felszerelt erre a kihívásra!” biztosítja Falah Al-Falahi technológus.

Érdeklődők szívesen találkozhatnak a tudósokkal a Sensor + Test kiállításon. 2025. május 6-8. között Nürnbergben a 1-317-es standnál mutatják be a legújabb fejlesztéseket és alkalmazási lehetőségeket. A Fraunhofer IPMS szakértőivel való egyeztetés időpontját előzetesen a intézet weboldalán lehet egyeztetni.

A Fraunhofer IPMS ionérzékelő mezőeffektusú tranzisztorának fizikai alapjai

A Fraunhofer IPMS új ISFET-je a fém-oxid félvezető (MOS) mezőeffektusú tranzisztor technológián alapul, ahol a közeggel érintkező érzékelő réteg egy amphotikus fém-oxid réteg. Ezen a rétegen a pH érték szerint hidronium- vagy hidroxid-ionok kötődnek reverzibilisen a mérőközegből (pH-érzékeny réteg). Az ISFET működési feszültsége (UDS), amely a forrás (Source) és a drain (Drain) között van, áramot (IDS) eredményez. Ez az áram mérés közben mindig állandó marad (Állandó töltés mód). Mérőjelként a forrás és a gate vagy a referencia elektróda (Ag/AgCl 3M KCl-ben) közötti feszültséget (UGS) használják.