Meilenstein in der Flüssigkeitsanalytik
ISFET-basierte pH-Sensoransteuerung erfolgreich miniaturisiert und für einfache Nutzung optimiert.
Das Fraunhofer-Institut für photonische Mikrosysteme hat einen weiteren Meilenstein in der Flüssigkeitsanalytik erreicht. Die zur Ansteuerung ionensensitiven Feldeffekttransistoren, kurz ISFETs, erforderlichen Elektroniken konnten um ein Vielfaches miniaturisiert werden. Gleichzeitig ist es gelungen, die Herstellungskosten zu senken und die Leistungsaufnahme zu reduzieren. Die neuen Elektroniken können zur direkten Nutzung oder zur Integration in eigene Messsysteme bereitgestellt werden.
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ISFETs ermöglichen die kontinuierliche und präzise Messung von pH-Werten, indem sie in Echtzeit die Konzentration bestimmter Ionen in Wasser oder anderen wässrigen Medien bestimmen. Nach der Entwicklung von auf Niobpentoxid basierenden ISFET-pH-Sensoren vermeldet das Fraunhofer-IPMS jetzt abermals einen Erfolg: Die neuen Messsysteme arbeiten mit einem noch geringeren Stromverbrauch als zuvor.
„Nach fast einem Jahr Entwicklungszeit ist es uns gelungen, unsere Nb2O5-ISFETs so anzusteuern, dass sie mit einer Leistungsaufnahme von kleiner als 1,3 Milliwatt inklusive Elektronik kontinuierlich messen können“, sagt Olaf Hild vom Fraunhofer-IPMS. Die Leistungsaufnahme des Sensorsystems beträgt dabei lediglich 190 Mikrowatt. Die Leistungsaufnahme und die Baugröße sind essenzielle Parameter für mobile Messsysteme.
Anwendungen ergeben sich in der kontinuierlichen Gewässerüberwachung und Umweltanalytik. Aber auch langfristig adressierte Anwendungen in der Medizintechnik, wie die Analyse verschiedenster Körperflüssigkeiten, bedürfen leistungseffizienten und kleinen Messsystemen.
Die neuen Ansteuerelektroniken sind besonders leistungsarm und damit energieeffizienter, zudem sind sie sehr einfach handhabbar und sofort einsatzbereit. Es handelt sich um eine Analogelektronik und eine mittels USB-C anschließbare Digitalelektronik, welche eine zügige Vor-Ort-Kalibrierung möglich macht.
„Da die ISFETs äußerst driftarm sind und nahezu eine perfekte Nernst-Abhängigkeit zeigen, ist für die allermeisten Anwendungen eine Einpunktkalibrierung ausreichend“, erläutert Hans-Georg Dallmann vom Fraunhofer-IPMS. Dadurch wird eine hohe Genauigkeit, auch über längere Zeitspannen hinweg garantiert. Aber mit dem Erreichten ist das Team noch nicht zufrieden. Das nächste Ziel ist die Entwicklung kleinerer ISFET-Chips, um baugrößenlimitierte Anwendungen adressieren zu können.
Fh.-IPMS / RK
