ISFET-gebaseerde pH-sensorbesturing succesvol geminiaturiseerd en geoptimaliseerd voor eenvoudig gebruik

Laagvermogen analoge elektronica. © Fraunhofer IPMS / Low-power analog electronics. © Fraunhofer IPMS

USB-evaluatie-elektronica voor ISFETs van Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Het Fraunhofer-Instituut voor Photonische Mikrosystemen IPMS heeft een mijlpaal bereikt in chemische vloeistofanalyse. De elektronica die nodig is voor het aansturen van de ionensensitieve veldeffecttransistoren (ISFET) kon aanzienlijk worden geminiaturiseerd. Tegelijkertijd is het gelukt om de fabricagekosten te verlagen en het energieverbruik te verminderen. De nieuwe elektronica kan direct worden gebruikt of geïntegreerd in eigen meetsystemen.

ISFETs maken een continue en nauwkeurige meting van pH-waarden mogelijk door in realtime de concentratie van bepaalde ionen in water of andere waterige media te bepalen. Na de uitstekende ontwikkeling van op niobpentoxide gebaseerde ISFET-pH-sensoren meldt het Fraunhofer IPMS opnieuw een groot succes: de nieuwe meetsystemen werken met nog minder energieverbruik dan voorheen. »Na bijna een jaar ontwikkeltijd zijn wij erin geslaagd onze Nb₂O₅-ISFETs zo aan te sturen dat ze met een energieverbruik van minder dan 1,3 mW inclusief elektronica continu kunnen meten«, zegt de manager van het vakgebied Chemische Sensoriek bij Fraunhofer IPMS, Dr. Olaf R. Hild. Het energieverbruik van het sensorsysteem bedraagt slechts 190 µW. Het energieverbruik en de afmetingen zijn essentiële parameters voor mobiele meetsystemen.

Toepassingen liggen in continue waterkwaliteitsmonitoring en milieuanalyse. Maar ook langdurige toepassingen in de medische technologie, zoals de analyse van diverse lichaamsvloeistoffen, vereisen energie-efficiënte en compacte meetsystemen.

De nieuwe aansturings-elektronica, die in mei op de beurs »Sensor en Test« in Neurenberg wordt gepresenteerd, zijn bijzonder energiezuinig en daardoor energie-efficiënter, bovendien zeer gebruiksvriendelijk en direct inzetbaar. Het betreft een analoge elektronica (<1,3 mW) en een via USB-C aan te sluiten digitale elektronica (ca. 100 mW), die een snelle lokale kalibratie mogelijk maakt: »Omdat de Fraunhofer IPMS-ISFETs uiterst driftarm zijn en bijna een perfecte Nernst-afhankelijkheid vertonen, is voor de meeste toepassingen een eendpuntkalibratie voldoende«, legt elektronica-ontwikkelaar Hans-Georg Dallmann uit. Hierdoor wordt een hoge nauwkeurigheid, ook over langere tijd, gegarandeerd.

Maar met hetgeen bereikt is, is het team onder leiding van Hild nog niet tevreden: »Het volgende doel zijn kleinere ISFET-chips (< 1mm²), om toepassingen met beperkte ruimte te kunnen adresseren. De cleanroom is hiervoor uitstekend uitgerust!«, is de overtuiging van technoloog Falah Al-Falahi.

Geïnteresseerden worden van harte uitgenodigd om met de wetenschappers en wetenschapperessen te praten op Sensor + Test. Van 6 tot 8 mei 2025 worden op stand 1-317 in Neurenberg de nieuwste ontwikkelingen en toepassingsmogelijkheden gepresenteerd. Beurstijden met de experts van het Fraunhofer IPMS kunnen vooraf worden afgesproken via de website van het instituut.

Fysieke basisprincipes van de ionensensitieve veldeffecttransistor van het Fraunhofer IPMS

De nieuwe ISFET van het Fraunhofer IPMS is gebaseerd op de Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) veldeffecttransistortechnologie, waarbij het media-gevoelige sensorgebied bestaat uit een amphotere metaaloxide laag. Aan deze laag hechten zich, afhankelijk van de pH-waarde, reversibel hydronium- of hydroxide-ionen uit het meetmedium (pH-gevoelige laag). De bedrijfsspanning (UDS) van de ISFET, die tussen de bron (Source) en de drain (Drain) wordt aangelegd, leidt tot een stroom (IDS). Deze stroom wordt tijdens de meting constant gehouden (Constant-Charge-Mode). Als meetsignaal wordt vervolgens de spanning (UGS) gebruikt tussen de bron en de poort of de referentie-elektrode (Ag/AgCl in 3M KCl).