Une avancée majeure dans l'analyse chimique des liquides
La commande de capteur de pH à base d'ISFET miniaturisée avec succès et optimisée pour une utilisation facile
L'Institut Fraunhofer pour les microsystèmes photoniques IPMS a franchi une nouvelle étape dans l'analyse chimique des liquides. Les composants électroniques nécessaires à la commande des transistors à effet de champ sensibles aux ions (ISFET) ont pu être miniaturisés de plusieurs fois. Parallèlement, il a été possible de réduire les coûts de fabrication et la puissance absorbée. Les nouvelles électroniques peuvent être mises à disposition pour une utilisation directe ou pour être intégrées dans des systèmes de mesure propres.
Électronique d'évaluation USB pour ISFETs du Fraunhofer IPMS.
© Fraunhofer IPMS, Sebastian Lassak
Les ISFET permettent de mesurer en continu et avec précision les valeurs de pH en déterminant en temps réel la concentration de certains ions dans l'eau ou d'autres milieux aqueux. Après le développement exceptionnel de capteurs de pH ISFET à base de pentoxyde de niobium, le Fraunhofer IPMS annonce à nouveau un grand succès : les nouveaux systèmes de mesure fonctionnent avec une consommation électrique encore plus faible qu'auparavant. "Après presque un an de développement, nous avons réussi à piloter nos ISFET Nb2O5 de manière à ce qu'ils puissent mesurer en continu avec une consommation de puissance inférieure à 1,3 mW, électronique comprise", se réjouit le Dr Olaf R. Hild, directeur du secteur d'activité Capteurs chimiques à l'IPMS Fraunhofer. La puissance absorbée du système de capteurs n'est que de 190 µW. La puissance absorbée et la taille sont des paramètres essentiels pour les systèmes de mesure mobiles.
Les applications concernent la surveillance continue de l'eau et l'analyse environnementale. Mais les applications à long terme dans la technique médicale, comme l'analyse de différents fluides corporels, nécessitent également des systèmes de mesure efficaces et petits.
Les nouvelles électroniques de commande, qui seront présentées en mai au salon "Sensor und Test" de Nuremberg, sont particulièrement peu puissantes et donc plus efficaces sur le plan énergétique ; elles sont en outre très faciles à manipuler et immédiatement prêtes à l'emploi. Il s'agit d'une électronique analogique (<1,3 mW) et d'une électronique numérique (env. 100 mW) connectable au moyen d'un USB-C, ce qui permet un étalonnage rapide sur place : "Comme les IFSFET de l'IPMS de Fraunhofer ont une dérive extrêmement faible et présentent une dépendance de Nernst presque parfaite, un étalonnage en un point est suffisant pour la grande majorité des applications", explique le développeur électronique Hans-Georg Dallmann. Cela permet de garantir une grande précision, même sur de longues périodes.
Mais l'équipe de Hild n'est pas encore satisfaite de ce qu'elle a atteint : "Le prochain objectif est de créer des puces ISFET plus petites (< 1mm2) afin de pouvoir adresser des applications limitées en termes de taille. La salle blanche est parfaitement équipée pour relever ce défi !", affirme avec assurance le technologue Falah Al-Falahi.
Bases physiques du transistor à effet de champ sensible aux ions de l'IPMS Fraunhofer
Le nouvel ISFET de l'IPMS Fraunhofer repose sur la technologie des transistors à effet de champ à semi-conducteurs à oxyde métallique (MOS), la zone du capteur en contact avec le milieu étant constituée d'une couche d'oxyde métallique amphotère. Des ions d'hydronium ou d'hydroxyde provenant du milieu de mesure se déposent de manière réversible sur cette couche en fonction du pH (couche sensible au pH). La tension de fonctionnement (UDS) de l'ISFET, appliquée entre la source (Source) et le drain (Drain), entraîne un courant (IDS). Ce courant est toujours maintenu constant pendant la mesure (Constant-Charge-Mode). La tension (UGS) entre la source et la grille ou l'électrode de référence (Ag/AgCl dans 3M KCl) est alors utilisée comme signal de mesure.
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