Controllo del sensore di pH basato su ISFET, miniaturizzato con successo e ottimizzato per un uso semplice

Elettronica analogica a basso consumo. © Fraunhofer IPMS / Elettronica analogica a basso consumo. © Fraunhofer IPMS

Elettronica di valutazione USB per ISFET del Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Il Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS ha raggiunto un altro traguardo nell'analisi chimica dei liquidi. L'elettronica necessaria per il controllo dei Transistori a Effetto Campo Sensibili agli Ioni (ISFET) è stata miniaturizzata di molte volte. Contemporaneamente, è riuscito a ridurre i costi di produzione e il consumo energetico. Le nuove elettroniche possono essere fornite per uso diretto o per integrazione nei propri sistemi di misura.

Gli ISFET consentono la misurazione continua e precisa del pH, determinando in tempo reale la concentrazione di determinati ioni in acqua o altri mezzi acquosi. Dopo lo sviluppo eccezionale di sensori pH basati su pentossido di niobio, il Fraunhofer IPMS annuncia ancora un grande successo: i nuovi sistemi di misura funzionano con un consumo di energia ancora inferiore rispetto al passato. »Dopo quasi un anno di sviluppo, siamo riusciti a controllare i nostri Nb2O5-ISFET in modo che possano misurare continuamente con un consumo di energia inferiore a 1,3 mW, inclusa l'elettronica«, afferma il responsabile del settore di sensori chimici del Fraunhofer IPMS, Dr. Olaf R. Hild. Il consumo energetico del sistema di sensori è di soli 190 µW. Il consumo energetico e le dimensioni sono parametri essenziali per i sistemi di misura mobili.

Le applicazioni si trovano nel monitoraggio continuo dei corpi idrici e nell'analisi ambientale. Ma anche applicazioni a lungo termine in campo medico, come l'analisi di varie sostanze corporee, richiedono sistemi di misura efficienti dal punto di vista energetico e di piccole dimensioni.

Le nuove elettroniche di controllo, presentate a maggio alla fiera »Sensor e Test« a Norimberga, sono particolarmente a basso consumo energetico e quindi più efficienti dal punto di vista energetico, inoltre sono molto facili da usare e pronte all'uso immediato. Si tratta di un'elettronica analogica (<1,3 mW) e di un'elettronica digitale collegabile tramite USB-C (circa 100 mW), che permette una calibrazione rapida sul posto: »Poiché gli ISFET del Fraunhofer IPMS sono estremamente stabili nel tempo e mostrano una dipendenza quasi perfetta dalla legge di Nernst, per la maggior parte delle applicazioni una calibrazione con un solo punto è sufficiente«, spiega lo sviluppatore di elettronica Hans-Georg Dallmann. Ciò garantisce un'elevata precisione anche nel lungo periodo.

Ma il team di Hild non è ancora soddisfatto di quanto raggiunto: »Il prossimo obiettivo sono chip ISFET più piccoli (< 1mm2), per poter affrontare applicazioni con limiti di dimensione. La camera bianca è perfettamente attrezzata per questa sfida!«, afferma con sicurezza il tecnologo Falah Al-Falahi.

Gli interessati sono cordialmente invitati a confrontarsi con scienziati e scienziate alla fiera Sensor + Test. Dal 6 all'8 maggio 2025, presso lo stand 1-317 a Norimberga, saranno presentate le ultime novità e possibilità di applicazione. Gli appuntamenti con gli esperti e le esperte del Fraunhofer IPMS possono essere prenotati in anticipo sul sito web dell'istituto.

Fondamenti fisici del Transistore a Effetto Campo Sensibile agli Ioni del Fraunhofer IPMS

Il nuovo ISFET del Fraunhofer IPMS si basa sulla tecnologia MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) a effetto campo, con il sensore che utilizza uno strato di ossido metallico anfotero. Su questo strato si adsorbono reversibilmente ioni idronio o idrossido dal mezzo di misura, in funzione del pH (strato sensibile al pH). La tensione di alimentazione (UDS) del ISFET, applicata tra la sorgente (Source) e il drain (Drain), genera una corrente (IDS). Questa corrente viene mantenuta costante durante la misura (Modalità di carica costante). Come segnale di misura si utilizza quindi la tensione (UGS) tra la sorgente e il gate o l'elettrodo di riferimento (Ag/AgCl in 3M KCl).