Das Fraunhofer IPMS hat neue, miniaturisierte Ansteuerelektroniken für Ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFET) vorgestellt. Die kompakten Module zeichnen sich durch eine besonders geringe Leistungsaufnahme von unter 1,3 Milliwatt aus und sind sofort einsatzbereit – sowohl als eigenständige Lösung als auch zur Integration in bestehende Messsysteme.
Die Entwicklung eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Umweltanalytik und Medizintechnik. Durch einfache Kalibrierung, hohe Präzision und geringe Drift eignen sich die ISFET-Systeme ideal für kontinuierliche pH-Messungen – etwa zur Gewässerüberwachung oder Analyse von Körperflüssigkeiten. Vorgestellt werden die neuen Elektroniken Anfang Mai auf der Fachmesse Sensor + Test in Nürnberg.
Präzise pH-Messungen mit geringem Stromverbrauch
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 herausragenden Entwicklung von Niobpentoxid-basierten ISFET-pH-Sensoren vermeldet das Fraunhofer IPMS abermals einen großen 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 mW inklusive Elektronik kontinuierlich messen können«, freut sich Geschäftsfeldleiter für Chemische Sensorik am Fraunhofer IPMS, Dr. Olaf R. Hild. Die Leistungsaufnahme des Sensorsystems beträgt dabei lediglich 190 µW. 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.
Neue ISFET-Elektronik mit Analog- und USB-C-Optionen
Die neuen Ansteuerelektroniken, die im Mai auf der Messe »Sensor und Test« in Nürnberg vorgestellt werden, sind besonders leistungsarm und damit energieeffizienter, zudem sind sie sehr einfach handhabbar und sofort einsatzbereit. Es handelt sich um eine Analogelektronik (<1,3 mW) und eine mittels USB-C anschließbare Digitalelektronik (ca. 100 mW), welche eine zügige Vor-Ort-Kalibrierung möglich macht: »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. Dadurch wird eine hohe Genauigkeit, auch über längere Zeitspannen hinweg garantiert.
Aber mit dem Erreichten ist das Team um Hild noch nicht zufrieden: »Das nächste Ziel sind kleinere ISFET-Chips (< 1mm2), um baugrößenlimitierte Anwendungen adressieren zu können. Der Reinraum ist für diese Herausforderung bestens ausgestattet!«, ist sich Technologe Falah Al-Falahi sicher.
Interessierte sind herzlich eingeladen, sich mit den Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen auf der Sensor + Test auszutauschen. Vom 6. bis 8. Mai 2025 werden am Stand 1-317 in Nürnberg die neusten Entwicklungen und Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt. Messetermine mit den Experten und Expertinnen des Fraunhofer IPMS können vorab auf der Webseite des Instituts vereinbart werden.
Physikalische Grundlagen des Ionensensitiven Feldeffekttransistor vom Fraunhofer IPMS
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.