Dem Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS gelang es, die zur Ansteuerung der Ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFET) erforderlichen Elektroniken um ein Vielfaches zu miniaturisieren. Die Herstellungskosten sanken und die Stromaufnahme wurde auf unter 1.3 mW reduziert.
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. Für mobile Messsysteme ist die Leistungsaufnahme ein essenzieller Parameter. Das Sensorsystem benötigt nur 190 μW. Anwendungen ergeben sich in der kontinuierlichen Gewässerüberwachung und Umweltanalytik oder in der Medizintechnik, wo Körperflüssigkeiten analysiert werden können.
«Da die Fraunhofer IPMS-ISFETs äusserst driftarm sind und nahezu eine perfekte Nernst-Abhängigkeit zeigen, ist für die allermeisten Anwendungen eine Einpunktkalibrierung ausreichend», erläutert Elektronikentwickler Hans-Georg Dallmann. Das nächste Ziel sind noch kleinere ISFET-Chips unter 1mm2 für baugrössenlimitierte Anwendungen.
Physikalische Grundlagen
Der neuartige ISFET des Fraunhofer IPMS beruht auf der Metal-Oxid-Semiconductor (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 (pH-sensitive Layer).
Die Betriebsspannung (UDS) des ISFETs, die zwischen der Quelle (Source) und dem Abfluss (Drain) angelegt wird, führt zu einem Strom (IDS). Dieser Strom wird während der Messung immer konstant gehalten (Constant-Charge-Mode). Als Messsignal wird dann die Spannung (UGS) zwischen der Source und dem Gate bzw. der Referenzelektrode (Ag/AgCl in 3M KCl) genutzt.
Leistungsarme Analogelektronik.
Austausch mit der Wissenschaft
Die Wissenschaftler laden Interessierte vom 6. bis 8. Mai 2025 zum Austausch an den Stand 1-317 der Sensor + Test in Nürnberg ein. Dort werden die neusten Entwicklungen und Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt.
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