Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) hat einen wegweisenden Fortschritt in der pH-Messtechnik erzielt. Mit dem neu entwickelten ISFET-Referenzchip (REFET) gelingt es, pH-Messungen einfacher, zuverlässiger und robuster zu gestalten – ein entscheidender Schritt für kompakte und mobile Systeme.

Im Gegensatz zu den bisher eingesetzten silberbasierten Referenzelektroden, die empfindlich auf Druck, Austrocknung oder Verschmutzung reagieren, lässt sich der neue Chip trocken lagern und problemlos in kleine Messgeräte integrieren. Erste Testkits stehen bereit, um die Technologie in der Medizin, Biologie, Landwirtschaft und Umweltanalytik einzusetzen.

Vom Forschungslabor zur Anwendung: Chipbasierte pH-Messung ohne Referenzelektrode

Die präzise Bestimmung des pH-Wertes zählt zu den zentralen Aufgaben in der Chemiesensorik. Klassische Silber/Silberchlorid/Kaliumchlorid-Elektroden liefern stabile Ergebnisse, sind aber störanfällig. Bereits in den vergangenen Jahren wurden pH-sensitive Glaselektroden durch Ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs) ersetzt. Mit dem neuen REFET des Fraunhofer IPMS ist nun auch der letzte Schritt zur vollständigen Chiplösung gelungen.

“Unsere ISFETs sind zuverlässig, stabil und strapazierfähig. Sie umgehen typische Probleme klassischer Referenzelektroden, wie verstopfte oder aufgeladene Diaphragmen, Drift durch Konzentrationsänderungen oder Kontamination der Messlösung”, erläutert Dr. Olaf Hild, Abteilungsleiter für chemische Sensoren und Systeme am Fraunhofer IPMS. Dadurch eignen sie sich besonders für mobile oder integrierte Messsysteme.

ISFET-REFET Chip des Fraunhofer IPMS nach erfolgter Verkapselung. Quelle: Fraunhofer IPMS

Physikalische Grundlagen: Zwei ISFETs im Zusammenspiel

In der neuen Technologie zur pH-Messung des Fraunhofer IPMS wird anstelle der empfindlichen Referenzelektrode ein zweiter ISFET zusammen mit einem klassischen pH-ISFET eingesetzt. Dieser Referenz-ISFET zeigt eine signifikant kleinere pH-Steilheit, von beispielsweise 20 mV/pH, verglichen mit den üblichen 59 mV/pH bei 25°C, gemäß der Nernstschen Gleichung.

Die ISFETs sind mit dünnen Schichten aus Niobpentoxid (Nb₂O₅) oder Tantalpentoxid (Ta₂O₅) beschichtet. Diese Materialien verleihen den Sensoren hohe Stabilität, einfache Handhabung und gute Lagerfähigkeit. Die beiden ISFETs werden gemeinsam über eine Hilfselektrode betrieben, sodass aus den gemessenen elektrischen Signalen der pH-Wert zuverlässig berechnet werden kann.

“Leider stammt dieses Konzept des ISFET-REFET nicht von uns, sondern wurde bereits in den 1980er Jahren von Professor Piet Bergveld, dem Erfinder des ISFET, und seinen Kollegen entwickelt”, erklärt Hild. “Bisher fand das Konzept aber keinen Weg in die kommerzielle Nutzung.”

Anwendungsperspektiven und Ausblick

Der derzeit nutzbare Messbereich von pH 4 bis pH 8 deckt viele praxisrelevante Anwendungen in Biologie, Umwelt und Landwirtschaft ab. Zukünftige Entwicklungen sollen diesen Bereich erweitern und die Sensordrift weiter reduzieren.

„Voraussetzung für Langzeitmessungen nach einer 2- oder 3 Punkt-Kalibrierung ist die Beherrschung der Sensordriften, die bei Bedarf mit der Ansteuerelektronik kompensiert werden können”, erläutert Elektronikentwickler Hans-Georg Dallmann die Funktionsweise der Ansteuerung.

Somit ist der Fahrplan für die weitere Entwicklung am Fraunhofer IPMS gesetzt: pH-Bereich des REFET durch verbesserte Sensorschichten vergrößern, die REFET-Sensordrift reduzieren und die Integration auf einen Chip mit Temperaturmessung entwickeln.

Quelle: Fraunhofer IPMS