Progressi significativi nell'analisi dei liquidi chimici
Controllo del sensore di pH basato su ISFET miniaturizzato con successo e ottimizzato per la facilità d'uso
L'Istituto Fraunhofer per i microsistemi fotonici IPMS ha raggiunto un'altra pietra miliare nell'analisi chimica dei liquidi. L'elettronica necessaria per controllare i transistor a effetto di campo sensibili agli ioni (ISFET) è stata miniaturizzata di molte volte. Allo stesso tempo, è stato possibile tagliare i costi di produzione e ridurre il consumo energetico. La nuova elettronica può essere resa disponibile per l'uso diretto o per l'integrazione in sistemi di misura interni.
Elettronica di valutazione USB per ISFET del Fraunhofer IPMS.
© Fraunhofer IPMS, Sebastian Lassak
Gli ISFET consentono di misurare in modo continuo e preciso i valori del pH, determinando in tempo reale la concentrazione di alcuni ioni nell'acqua o in altri mezzi acquosi. Dopo l'eccezionale sviluppo dei sensori di pH ISFET a base di pentossido di niobio, il Fraunhofer IPMS registra ancora una volta un grande successo: i nuovi sistemi di misura funzionano con un consumo energetico ancora più ridotto rispetto al passato. "Dopo quasi un anno di sviluppo, siamo riusciti a controllare i nostri ISFET a base di Nb2O5 in modo tale da poter misurare continuamente con un consumo di energia inferiore a 1,3 mW, compresa l'elettronica", afferma il dottor Olaf R. Hild, responsabile dell'unità operativa Tecnologia dei sensori chimici del Fraunhofer IPMS. Il consumo di energia del sistema di sensori è di soli 190 µW. Il consumo energetico e le dimensioni sono parametri essenziali per i sistemi di misura mobili.
Le applicazioni nascono nel monitoraggio continuo dell'acqua e nell'analisi ambientale. Tuttavia, anche le applicazioni a lungo termine nella tecnologia medica, come l'analisi di un'ampia gamma di fluidi corporei, richiedono sistemi di misura piccoli ed efficienti dal punto di vista energetico.
La nuova elettronica di controllo, che sarà presentata alla fiera "Sensor and Test" di Norimberga a maggio, è particolarmente a basso consumo e quindi più efficiente dal punto di vista energetico, oltre a essere molto facile da maneggiare e pronta per l'uso immediato. Sono costituiti da un'elettronica analogica (<1,3 mW) e da un'elettronica digitale collegabile via USB-C (circa 100 mW), che consente una rapida calibrazione in loco: "Poiché gli ISFET Fraunhofer IPMS hanno una deriva estremamente bassa e presentano una dipendenza da Nernst quasi perfetta, per la stragrande maggioranza delle applicazioni è sufficiente una calibrazione a un punto", spiega lo sviluppatore dell'elettronica Hans-Georg Dallmann. Questo garantisce un alto livello di precisione, anche per periodi di tempo prolungati".
Ma Hild e il suo team non sono ancora soddisfatti dei risultati ottenuti: "Il prossimo obiettivo sono chip ISFET più piccoli (< 1mm2) per poter affrontare applicazioni di dimensioni limitate. La camera bianca è perfettamente attrezzata per questa sfida", afferma fiducioso il tecnologo Falah Al-Falahi.
Principi fisici del transistor a effetto di campo sensibile agli ioni del Fraunhofer IPMS
L'innovativo ISFET del Fraunhofer IPMS si basa sulla tecnologia dei transistor a effetto di campo a semiconduttore di ossido metallico (MOS), in cui l'area del sensore a contatto con il fluido è costituita da uno strato di ossido metallico anfotero. Gli ioni idronio o idrossido del fluido misurato si depositano reversibilmente su questo strato in base al valore del pH (strato sensibile al pH). La tensione operativa (UDS) dell'ISFET, applicata tra il source e il drain, determina una corrente (IDS). Questa corrente viene sempre mantenuta costante durante la misurazione (modalità di carica costante). La tensione (UGS) tra la sorgente e il gate o l'elettrodo di riferimento (Ag/AgCl in KCl 3M) viene quindi utilizzata come segnale di misura.
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