Innowacje w sensorystyce: Nowe opracowanie warstwy czujnika pH pomyślnie zintegrowane z ISFET

Ionowo-czuły tranzystor pola (ISFET) od Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS / Czujnik ISFET od Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Uproszczony schemat ISFET z elektrodą odniesienia Ag / AgCl. © Fraunhofer IPMS / Simplified illustration of an ISFET with an Ag / AgCl reference electrode. © Fraunhofer IPMS

Instytut Fraunhofer ds. Mikrosystemów Fotonicznych IPMS ogłasza znaczący postęp w analizie chemicznej i biochemicznej. Zespół pod kierownictwem kierownika działu ds. Czujników Chemicznych, Dr. Olafa R. Hilda, pomyślnie opracował przełomową warstwę czujnikową do pomiaru pH opartą na chipie i z powodzeniem zintegrował ją z jonosematycznym tranzystorem polowego (ISFET).

Pomiar pH jest najważniejszym pomiarem w analizie chemicznej i biochemicznej. Nowatorska warstwa czujnikowa opracowana przez Fraunhofer IPMS umożliwia w połączeniu z konwencjonalnym elektrodą odniesienia niezwykle precyzyjny pomiar pH w rozszerzonym zakresie od pH 1 do pH 13. Kompaktowy, niełamliwy czujnik o wymiarach 5x5 mm² charakteryzuje się minimalnym dryfem

Wyjątkową cechą czujnika jest jego zdolność do przechowywania w stanie suchym. Punkt pracy czujnika może być elastycznie ustawiany w zależności od konstrukcji i parametrów pracy, przy czym napięcie operacyjne (VDS) jest poniżej 1V.

Dr Hild, kierownik zespołu badawczego, wyraził entuzjazm z powodu uzyskanych danych pomiarowych wytrzymałego mechanicznie czujnika: „Dzięki tym właściwościom nowy ISFET jest szczególnie odpowiedni do lokalnej analizy środowiska.” Podkreślił również, że kolejnym ważnym celem badawczym jest opracowanie warstwy czujnikowej, która umożliwi całkowicie chipowe rozwiązanie do pomiaru pH i uczyni zbędne konwencjonalne elektrody odniesienia. Ta przełomowa technologia może przez tygodnie i miesiące zbierać dane o stanie środowiska bez konieczności interwencji człowieka.

Podstawy fizyczne jonosematycznego tranzystora polowego od Fraunhofer IPMS

Najnowszy ISFET od Fraunhofer IPMS opiera się na technologii tranzystora polowego typu Metal-Oksyd-Semikonduktor (MOS), przy czym obszar czujnika reagujący na media składa się z amfoterycznego warstwy tlenku metalu. Na tej warstwie zgodnie z wartością pH odwracalnie osadzają się jony hydroniowe lub hydroksylowe z medium pomiarowego (warstwa wrażliwa na pH). Jako sygnał pomiarowy wykorzystywane jest napięcie (VGS) między źródłem a bramką lub elektrodą odniesienia (Ag/AgCl w 3M KCl).

Część wyników badań została uzyskana w ramach projektu „REISen”, będącego projektem z dziedziny nauk materiałowych, finansowanym ze środków publicznych na podstawie budżetu zatwierdzonego przez Landtag Saksonii.

Rozwój technologii Fraunhofer IPMS znacząco przyczynia się do rozwoju analizy środowiskowej i otwiera nowe możliwości dla bardziej precyzyjnego i efektywnego gromadzenia danych w dziedzinie analizy chemicznej.