Meilenstein in der Sensorik: Parallele Messung mehrerer Wasserparameter mit nur einem Sensorchip

Innovation eröffnet neue Horizonte für die Umwelt- und Bioanalytik

24.05.2024

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Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS präsentiert eine wegweisende Integrationstechnologie zur gleichzeitigen Messung verschiedener Wasserparameter mittels ionensensitiver Feldeffekttransistoren (ISFETs). Die neu entwickelte n-Wannen-Integrationstechnologie ermöglicht es künftig, mit nur einem Sensorchip pH-Werte, Nitrat-, Phosphat- und Kaliumkonzentrationen parallel und kontinuierlich zu erfassen. Diese Innovation eröffnet neue Horizonte für die Umwelt- und Bioanalytik.

ISFETs zeichnen sich durch ihre Kompaktheit, Robustheit und Integrationsfähigkeit aus. Daher sind sie optimal für die präzise Messung von pH-Werten sowie für die genaue Bestimmung der Konzentration zahlreicher Ionen in Wasser geeignet, was sie zu leistungsstarken Werkzeugen in der Umwelt- und Bioanalytik macht. In der pH-Messtechnik finden sie aufgrund ihrer Unzerbrechlichkeit vor allem in der Lebensmittelproduktion bereits breite Anwendung. Das Fraunhofer IPMS hat nun eine n‑Wannentechnologie entwickelt, die es ermöglicht, mehrere ISFETs auf einem Chip so zu integrieren, dass eine gezielte Funktionalisierung mittels 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 können auch weitere Parameter in das System integriert werden.

»Ein derartiges Messsystem, welches essenzielle Parameter von Wasser kontinuierlich in Echtzeit erfassen kann, hat ein riesiges Marktpotenzial«, sagt Dr. Olaf R. Hild, Leiter des Geschäftsfelds Chemische Sensorik am Fraunhofer IPMS. »Es eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen in der Umweltanalytik, der Land- und Wasserwirtschaft sowie im stark wachsenden Markt der Indoorfarming-Anwendungen.« »Und«, so fügt er schmunzelnd hinzu, »wir haben mit dieser Technologie eine Alleinstellung in Europa!«

Die Nutzung dieser Technologie soll dazu beitragen, die Effizienz und Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft zu steigern, indem die Messdaten mit externen Daten, wie zum Beispiel Wetterdaten, kombiniert werden. Dies würde Landwirten ermöglichen passgenaue Nährstoffgaben vorzunehmen. Das spart nicht nur Kosten für Düngemittel, sondern schont auch die Umwelt.

Die bisher entwickelten Sensoren und die n-Wannen-Integrationstechnologie werden auf der Messe SENSOR+TEST in Nürnberg vom 11. bis 13. Juni vorgestellt, um Entwicklern, Integratoren und potenziellen Nutzern die Technologie zu erläutern. Messetermine mit den Experten des Fraunhofer IPMS am Stand 1-317 können bereits vorab auf der Webseite des Instituts vereinbart werden.

Physikalische Grundlagen des Fraunhofer IPMS ISFET

Die ISFETs des Fraunhofer IPMS basieren auf der Metal-Oxid-Semiconductor (MOS) Feldeffekttransistortechnologie. Die Integration mehrerer ISFETs in einer n-Wanne wird durch eine elektrische Separierung ermöglicht, 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 werden.

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