Neuer Chip des Fraunhofer IPMS macht pH-Messungen einfacher und die Messgeräte robuster und mobiler
Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat einen
weiteren Durchbruch in der pH-Messtechnik erzielt. Die Forschenden haben
eine neue Technologie entwickelt, die pH-Messungen deutlich robuster,
einfacher und zuverlässiger macht. Statt der klassischen, oft
fehleranfälligen Referenzelektroden kommt nun ein widerstandsfähiger Chip
zum Einsatz. Dieser lässt sich trocken lagern, ist unempfindlich gegenüber
Druck und einfach in kleine Geräte integrierbar. Erste Testkits stehen
bereit, um die Technologie schnell in Anwendungen der Medizin, Biologie,
Landwirtschaft und Umweltanalytik einzusetzen.
Die präzise Bestimmung des pH-Wertes ist in der Chemiesensorik eine große
Herausforderung. Bisher kamen dafür klassische Silber/Silberchlorid
/Kaliumchlorid-Elektroden zum Einsatz. Sie liefern zwar ein stabiles
Bezugspotenzial, sind jedoch zugleich sehr fehleranfällig. Verändert sich
die Elektrolytkonzentration, verstopft die Membran oder trocknet sie aus,
werden die Messwerte unzuverlässig.
Während die pH-sensitive Glaselektrode bereits erfolgreich durch robuste
Chips, sogenannte Ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs), ersetzt
wurde, ist der Ersatz der empfindlichen Referenzelektrode erst jetzt am
Fraunhofer IPMS durch einen Referenz-ISFET (REFET) 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.
Physikalische Grundlagen der neuen Technologie zur ph-Messung
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.« Mit den neuen
Bauelementen soll sich das ändern: Die pH-Messung ist zunächst im Bereich
von etwa pH 4 bis pH 8 möglich, was für viele Anwendungen in Biologie,
Medizin, Landwirtschaft und Umwelt den typischen Messanforderungen
entspricht.
Aktuell benötigt die Lösung noch zwei 5 × 5 mm² große Chips, die eine gute
Benetzung gewährleisten. Auf Kundenwunsch können diese jedoch verkleinert
werden. Künftig ist geplant beide Chips auf einen einzigen Chip derselben
Größe mit integrierter Temperaturmessung zu 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. »Obwohl noch
viel Arbeit vor uns liegt, freuen wir uns, bereits Test-Kits anbieten zu
können und diese dem Fachpublikum auf der Analytica 2026 (Halle 3, Stand
312) zu präsentieren«, sagt Hild abschließend. Individuelle Termine auf
der Messe können vorab über die Webseite des Fraunhofer IPMS vereinbart
werden.
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Über das Fraunhofer IPMS
Das Fraunhofer IPMS ist ein international führender Forschungs- und
Entwicklungsdienstleister für elektronische und photonische Mikrosysteme
in den Anwendungsfeldern Intelligente Industrielösungen, Medizintechnik
und Gesundheit, Mobilität sowie Grüne und Nachhaltige Mikroelektronik.
Forschungsschwerpunkte sind kundenspezifische miniaturisierte Sensoren und
Aktoren, MEMS-Systeme, Mikrodisplays und integrierte Schaltungen sowie
drahtlose und drahtgebundene Datenkommunikation. Das Angebot reicht von
der Beratung und Konzeption über die Prozessentwicklung bis hin zur
Pilotserienfertigung.
