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Chemische Sensorik Sensorschicht für chipbasierte pH-Messung

Quelle: Pressemitteilung 1 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut fuer Photonische Mikrosysteme
Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
ROHM Semiconductor GmbH
CADFEM Germany GmbH

Forscher haben einen Durchbruch in der chemisch-biologischen Analytik erzielt: Sie haben eine Sensorschicht für die chipbasierte pH-Messung entwickelt und in einen ionenselektiven Feldeffekttransistor (ISFET) integriert.

Forscher haben eine Sensorschicht für die chipbasierte pH-Messunge entwickelt und in einen ionensensitiven Feldeffekttransistor (ISFET) integriert.(Bild: Fraunhofer IPMS)
Forscher haben eine Sensorschicht für die chipbasierte pH-Messunge entwickelt und in einen ionensensitiven Feldeffekttransistor (ISFET) integriert.
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Die pH-Messung ist die wichtigste Messgröße in der chemischen und biochemischen Analytik. Die vom Fraunhofer IPMS entwickelte Sensorschicht misst in Kombination mit einer konventionellen Referenzelektrode präzise den pH-Wert im erweiterten Bereich von 1 bis 13. Der kompakte, unzerbrechliche Sensor misst 5 mm x 5 mm und zeichnet sich durch eine minimale Drift von <20 µV/h sowie eine geringe Hysterese aus. Auch die Lichtempfindlichkeit wurde verbessert.

Eine Besonderheit des Sensors ist seine Trockenlagerfähigkeit. Der Arbeitspunkt des Sensors lässt sich über die Struktur und die Betriebsparameter flexibel einstellen, wobei die Betriebsspannung VDS unter 1 V liegt.

Eine rein chipbasierte pH-Messung

„Mit diesen Eigenschaften ist der neue ISFET besonders für die Vor-Ort-Umweltanalytik geeignet“, kommentierte Dr. Hild, Leiter des Forschungsteams, die Messdaten des mechanisch robusten Sensors. Als nächstes wichtiges Forschungsziel nannte er die Entwicklung einer Sensorschicht, die eine rein chipbasierte pH-Messung ermöglicht und herkömmliche Referenzelektroden überflüssig macht. Diese bahnbrechende Technologie könnte über Wochen und Monate kontinuierlich Umweltdaten sammeln, ohne dass ein menschliches Eingreifen erforderlich wäre.

Physikalische Grundlagen des Ionensensitiven Feldeffekttransistor

Der ISFET des Fraunhofer IPMS basiert auf der Metalloxid-Semiconductor- (MOS-)Feldeffekttransistortechnologie, wobei der medienberührte Sensorbereich aus einer amphoteren Metalloxidschicht besteht. An dieser Schicht lagern sich in Abhängigkeit vom pH-Wert reversibel Hydronium- oder Hydroxidionen aus dem Messmedium an (pH-sensitive Schicht). Als Messsignal wird die Spannung VGS zwischen Source und Gate der Bezugselektrode (Ag/AgCl in 3M KCl) verwendet.

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. (heh)

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