Das Team um Geschäftsfeldleiter für chemische Sensorik, Olaf R. Hild, hat erfolgreich eine wegweisende Sensorschicht für chipbasierte pH-Messung entwickelt und diese erfolgreich in einen ionensensitiven Feldeffekttransistor (ISFET) integriert.

Die Messung des pH-Werts ist die wichtigste Messung in der chemischen und biochemischen Analytik. Die vom Fraunhofer IPMS entwickelte neuartige 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 5x 5 mm² zeichnet sich durch eine minimale Drift von < 20 µV/h sowie eine geringe Hysterese aus und lässt sich hervorragend integrieren. Eine bedeutende Verbesserung wurde zudem in der Reduzierung der Lichtempfindlichkeit erzielt.

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 (VDS) unter 1 V liegt.

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.“ Er betonte weiter, dass das nächste wichtige Forschungsziel darin bestehe, 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.

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). Als Messsignal wird die Spannung (VGS) zwischen der Source und dem Gate bzw. der Referenzelektrode (Ag/AgCl in 3M KCl) genutzt.

Ein Teil der Forschungsergebnisse wurde im Projekt „REISen“ erzielt, einem Projekt aus dem Fachgebiet Materialwissenschaften, das aus Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes mitfinanziert wurde.

Autor: Olaf Rüdiger Hild, Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS, Dresden