Innovatie in de sensoriek: succesvolle integratie van een nieuwe pH-sensorschicht in ISFET

Ionensensitieve veld-effecttransistor (ISFET) van Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS / ISFET-sensorschip van Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Vereenvoudigde weergave van een ISFET met een Ag / AgCl-Referentie-elektrode. © Fraunhofer IPMS / Simplified illustration of an ISFET with an Ag / AgCl reference electrode. © Fraunhofer IPMS

Het Fraunhofer-Instituut voor Fotonische Mikrosystemen IPMS kondigt een belangrijke vooruitgang aan in chemische en biochemische analyse. Het team onder leiding van de afdelingshoofd voor Chemische Sensoriek, Dr. Olaf R. Hild, heeft met succes een baanbrekende sensorschicht ontwikkeld voor chipgebaseerde pH-metingen en deze succesvol geïntegreerd in een ionensensitieve veld-effecttransistor (ISFET).

De meting van de pH-waarde is de belangrijkste meting in chemische en biochemische analyse. De door het Fraunhofer IPMS ontwikkelde nieuwe sensorschicht maakt in combinatie met een conventionele referentie-elektrode een uiterst nauwkeurige pH-meting mogelijk in het uitgebreide bereik van pH 1 tot pH 13. De compacte, onbreekbare sensor met afmetingen van 5x5 mm² onderscheidt zich door een minimale drift van

Een opvallend kenmerk van de sensor is de mogelijkheid tot droge opslag. Het werkpunt van de sensor kan flexibel worden ingesteld via de opbouw en bedrijfsparameters, waarbij de bedrijfsspanning (VDS) onder de 1V ligt.

Dr. Hild, hoofd van het onderzoeksteam, uitte zijn enthousiasme over de behaalde meetgegevens van de mechanisch robuuste sensor: »Met deze eigenschappen is de nieuwe ISFET bijzonder geschikt voor lokale milieuanalyse.« Hij benadrukte verder dat het volgende belangrijke onderzoeksdoel bestaat uit het ontwikkelen van een sensorschicht die een volledig chipgebaseerde pH-mogelijkheid mogelijk maakt en conventionele referentie-elektroden overbodig maakt. Deze baanbrekende technologie zou continu milieugegevens kunnen verzamelen over weken en maanden, zonder menselijke tussenkomst.

Natuurkundige principes van de ionensensitieve veld-effecttransistor van het Fraunhofer IPMS

De nieuwe ISFET van het Fraunhofer IPMS is gebaseerd op de Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) veld-effecttransistortechnologie, waarbij het media-berührende sensorbereik bestaat uit een amfotere metaaloxide laag. Op deze laag hechten zich, afhankelijk van de pH-waarde, reversibel hydronium- of hydroxide-ionen uit het meetmedium (pH-gevoelige laag). Als meetsignaal wordt de spanning (VGS) tussen de source en de gate of de referentie-elektrode (Ag/AgCl in 3M KCl) gebruikt.

Een deel van de onderzoeksresultaten is behaald in het project „REISen“, een project binnen het vakgebied Materiaalwetenschappen, dat mede gefinancierd werd met overheidsmiddelen op basis van de begroting vastgesteld door de Saksische Landdag.

De ontwikkelingen van het Fraunhofer IPMS dragen in belangrijke mate bij aan de verdere ontwikkeling van milieuanalyse en openen nieuwe mogelijkheden voor een nauwkeurigere en efficiëntere gegevensverzameling op het gebied van chemische analyse.