19.03.2024

Innovation in der Sensorik

Neuentwicklung einer pH-Sensorschicht erfolgreich in ionensensitiven Feldeffekttransistor integriert.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für photonische Mikrosysteme haben erfolgreich eine wegweisende Sensorschicht für chipbasierte pH-Messung entwickelt und diese erfolgreich in einen ionensensitiven Feldeffekttransistor integriert. Die Messung des pH-Werts ist die wichtigste Messung in der chemischen und biochemischen Analytik. Die vom Fraunhofer-IPMS entwickelte Sensorschicht ermöglicht in Kombination mit einer konventionellen Referenzelektrode eine äußerst präzise pH-Messung im erweiterten Bereich von pH 1 bis pH 13. Der kompakte, unzerbrechliche Sensor mit den Abmessungen fünf mal fünf Quadratmillimetern zeichnet sich durch eine minimale Drift von weniger als 20 Mikrovolt pro Stunde, sowie eine geringe Hysterese aus und lässt sich hervorragend integrieren. Eine bedeutende Verbesserung wurde zudem in der Reduzierung der Lichtempfindlichkeit erzielt.

Abb.: Der ionensensitive Feldeffekttransistor des Fraunhofer-IPMS.
Abb.: Der ionensensitive Feldeffekttransistor des Fraunhofer-IPMS.
Quelle: Fh.-IPMS

Ein herausragendes Merkmal des Sensors ist seine Fähigkeit zur trockenen Lagerung. Der Arbeitspunkt des Sensors kann flexibel über den Aufbau und die Betriebsparameter eingestellt werden, wobei die Betriebsspannung unter einem Volt liegt.

Dr. Hild, Leiter des Forschungsteams, äußerte sich begeistert über die erzielten Messdaten des mechanisch robusten Sensors: „Mit diesen Eigenschaften ist der neue ISFET besonders für die Vor-Ort Umweltanalytik geeignet“, betont Teamleiter Olaf Hild. Das nächste wichtige Forschungsziel bestehe darin, eine Sensorschicht zu entwickeln, die eine rein chipbasierte pH-Messlösung ermöglicht und konventionelle Referenzelektroden überflüssig macht. Diese bahnbrechende Technologie könnte über Wochen und Monate kontinuierlich Umweltdaten sammeln, ohne dabei auf menschliches Eingreifen angewiesen zu sein.

Der neuartige ISFET des Fraunhofer-IPMS beruht auf der MOS-Feldeffekttransistortechnologie, wobei der medienberührende Sensorbereich aus einer amphoteren Metalloxidschicht besteht. An dieser Schicht lagern sich entsprechend des pH-Wertes Hydronium- oder Hydroxidionen aus dem Messmedium reversibel an. Als Messsignal wird die Spannung zwischen der Source und dem Gate beziehungsweise der Referenzelektrode genutzt.

Diese Entwicklungen des Fraunhofer-IPMS tragen maßgeblich zur Weiterentwicklung der Umweltanalytik bei und eröffnen neue Möglichkeiten für eine präzisere, effizientere Datenerfassung im Bereich der chemischen Analytik.

Fh.-IPMS / RK

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