ISFET-basierte pH-Sensorsteuerung erfolgreich miniaturisiert und für eine einfache Nutzung optimiert

Niskonapięciowa elektronika analogowa. © Fraunhofer IPMS / Low-power analog electronics. © Fraunhofer IPMS

Elektronika ewaluacyjna USB dla ISFET-ów Fraunhofer IPMS. © Fraunhofer IPMS

Instytut Fraunhofer dla Mikrosystemów Fotonicznych IPMS osiągnął kolejny kamień milowy w chemicznej analizie cieczy. Elektronika niezbędna do sterowania jonosensytywnymi tranzystorami polowymi (ISFET) została zminiaturyzowana wielokrotnie. Jednocześnie udało się obniżyć koszty produkcji i zmniejszyć pobór mocy. Nowa elektronika może być używana bezpośrednio lub integrowana z własnymi systemami pomiarowymi.

ISFET umożliwiają ciągłe i precyzyjne pomiary pH, określając w czasie rzeczywistym stężenie określonych jonów w wodzie lub innych mediach wodnistych. Po znakomitym rozwoju czujników pH opartych na niobpentoksydzie, instytut Fraunhofer IPMS ponownie ogłasza wielki sukces: nowe systemy pomiarowe pracują z jeszcze mniejszym zużyciem energii niż wcześniej. »Po prawie roku rozwoju udało nam się tak sterować naszymi ISFET-ami na bazie Nb2O5, aby mogły one ciągle mierzyć przy poborze mocy mniejszym niż 1,3 mW, w tym elektronice«, cieszy się kierownik działu chemicznych sensorów w Fraunhofer IPMS, Dr Olaf R. Hild. Pobór mocy systemu pomiarowego wynosi zaledwie 190 µW. Pobór energii i rozmiar są kluczowymi parametrami dla mobilnych systemów pomiarowych.

Przydatność znajduje się w ciągłym monitorowaniu rzek i analizie środowiska. Jednak także długoterminowe zastosowania w medycynie, takie jak analiza różnych płynów ustrojowych, wymagają energooszczędnych i małych systemów pomiarowych.

Nowe elektroniczne układy sterujące, które zostaną zaprezentowane w maju na targach »Sensor i Test« w Norymberdze, są szczególnie energooszczędne i tym samym bardziej wydajne energetycznie, a ponadto bardzo łatwe w obsłudze i gotowe do natychmiastowego użycia. Są to układy analogowe (<1,3 mW) oraz cyfrowe podłączane przez USB-C (ok. 100 mW), które umożliwiają szybkie kalibracje na miejscu: »Ponieważ ISFET-y Fraunhofer IPMS są niezwykle mało dryfujące i wykazują niemal idealną zależność od Nernsta, dla większości zastosowań wystarczy kalibracja jednym punktem«, wyjaśnia inżynier elektroniki Hans-Georg Dallmann. Dzięki temu zapewniona jest wysoka dokładność, nawet na przestrzeni dłuższego czasu.

Ale z osiągnięciami zespół pod kierownictwem Hilda nie jest jeszcze zadowolony: »Następnym celem są mniejsze układy ISFET (< 1 mm²), aby móc adresować aplikacje ograniczone rozmiarem. Komora czystych pomieszczeń jest doskonale przygotowana na to wyzwanie!«, jest pewien technolog Falah Al-Falahi.

Zainteresowani są serdecznie zaproszeni do wymiany doświadczeń z naukowcami i naukowczyniami na targach Sensor + Test. W dniach od 6 do 8 maja 2025 roku na stoisku 1-317 w Norymberdze będą prezentowane najnowsze osiągnięcia i możliwości zastosowań. Terminy spotkań z ekspertami i ekspertkami Fraunhofer IPMS można wcześniej ustalić na stronie internetowej instytutu.

Podstawy fizyczne jonosensytywnego tranzystora polowego od Fraunhofer IPMS

Najnowszy ISFET od Fraunhofer IPMS opiera się na technologii tranzystora polowego MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), przy czym obszar sensora, mający kontakt z mediami, składa się z amfoterycznego warstwy tlenku metalu. Na tej warstwie zgodnie z pH, odwracalnie osadzają się jony hydroniowe lub hydroksylowe z badanego medium (warstwa wrażliwa na pH). Napięcie zasilania (UDS), które jest przykładane między źródłem (Source) a drenem (Drain), powoduje przepływ prądu (IDS). Prąd ten jest podczas pomiaru utrzymywany na stałym poziomie (tryb stałego ładunku). Jako sygnał pomiarowy wykorzystywane jest napięcie (UGS) między źródłem a bramką lub elektrodą odniesienia (Ag/AgCl w 3M KCl).