Umweltanalytik-/Medizintechnik-Sensorik
Fraunhofer definiert ISFET-pH-Sensoren neu
Das Fraunhofer IPMS hat die Elektronik zur Ansteuerung ISFET-basierter pH-Sensoren deutlich verkleinert und den Energieverbrauch gesenkt. Das ist ein echter Meilenstein in der chemischen Flüssigkeitsanalytik. Erstmals zu sehen ist die neue Entwicklung auf der Sensor + Test in Nürnberg.
Die Forscher am Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS haben einen bedeutenden Fortschritt in der Miniaturisierung und Energieeffizienz von ISFET-basierten pH-Sensoren erzielt: Die zur Ansteuerung der Ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFET) erforderlichen Elektroniken konnten um ein Vielfaches miniaturisiert werden. Gleichzeitig ist es gelungen, die Herstellungskosten zu senken und die Leistungsaufnahme zu reduzieren. 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.
Stromsparendes Messen mit hoher Präzision
Nachdem die Forscher bereits mit ihren Niobpentoxid-basierten ISFET-pH-Sensoren einen Durchbruch erzielt hatten, ist dies nun erneut ein großer 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.
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Vielfältige Anwendungsfelder
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 Ansteuerelektronik: effizient und sofort einsetzbar
Die neuen Ansteuerelektroniken, die im Mai auf der Sensor + Test 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), die eine zügige Vor-Ort-Kalibrierung möglich macht: »Weil 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.
Nächste Ziele bereits im Blick
Aber mit dem Erreichten ist das Forscherteam noch nicht zufrieden: »Das nächste Ziel sind kleinere ISFET-Chips von unter 1 mm2, um baugrößenlimitierte Anwendungen adressieren zu können. Der Reinraum ist für diese Herausforderung bestens ausgestattet«, führt Technologe Falah Al-Falahi aus.
Fraunhofer IPMS auf der Sensor + Test: Halle 1, Stand 317
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