Chemisch inert verkapselt ist das Messsystem nahezu unzerbrechlich und gut für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie geeignet. (Bild: Fraunhofer IMS)
ISFETs zeichnen sich durch Kompaktheit, Robustheit und Integrationsfähigkeit aus und sind daher optimal für die Messung von pH-Werten sowie die genaue Bestimmung der Konzentration zahlreicher Ionen in Wasser. geeignet. In der pH-Messtechnik finden die Sensoren aufgrund der Unzerbrechlichkeit vor allem in der Lebensmittelproduktion bereits breite Anwendung. Das Fraunhofer IPMS hat nun eine n‑Wannentechnologie entwickelt, mit der sich mehrere ISFETs auf einem Chip so integrieren lassen, dass eine gezielte Funktionalisierung mithilfe ionenselektiver Schichten möglich ist.
Diese Integrationstechnologie eröffnet die Möglichkeit von multifunktionalen ISFET Arrays. In Zusammenarbeit mit Forschungspartnern können so zukünftig weitere anwendungsspezifische, ionenselektive Beschichtungen entwickelt und integriert werden. Dies ermöglicht die simultane und kontinuierliche Messung verschiedener Parameter wie pH-Wert, Nitrat-, Phosphat- und Kaliumkonzentration mit nur einem Sensorchip. Bei Bedarf sind auch weitere Parameter in das System integrierbar.
Nachhaltigere Landwirtschaft
Ein Messsystem, das essenzielle Parameter von Wasser kontinuierlich in Echtzeit erfassen kann, hat riesiges Marktpotenzial und eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen in der Umweltanalytik, der Land- und Wasserwirtschaft sowie im stark wachsenden Markt der Indoorfarming-Anwendungen. Die Nutzung dieser Technologie soll dazu beitragen, die Effizienz und Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft zu steigern, indem die Messdaten mit externen Daten wie beispielsweise Wetterdaten kombiniert werden. So könnten Landwirte passgenaue Nährstoffgaben vornehmen – das spart Kosten für Düngemittel und schont die Umwelt.
Die bisher entwickelten Sensoren und die n-Wannen-Integrationstechnologie stellt das Institut auf der Messe Sensor+Test in Nürnberg vom 11. bis 13. Juni vor, Messetermine mit den Fraunhofer-Experten können bereits vorab auf der Webseite des Instituts vereinbart werden.
Physikalische Grundlagen des ISFET
Die ISFETs des Fraunhofer IPMS basieren auf der Metal-Oxid-Semiconductor-Feldeffekttransistortechnologie (MOS). Die Integration mehrerer ISFETs in einer n-Wanne ist durch eine elektrische Separierung möglich, die durch die Implantation von Phosphor als n-Dotierung in einen p-Wafer erfolgt. Der Sensorbereich, der mit dem Medium in Berührung kommt, besteht aus einer Metalloxidschicht, die entweder als pH-Sensor fungieren kann oder mit einer ionenselektiven Membran beschichtet wird. Für jede zu detektierende Ionensorte muss ein ISFET mit einer entsprechenden ionenselektiven Membran beschichtet sein.