Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS präsentiert eine Integrationstechnologie zur gleichzeitigen Messung verschiedener Wasserparameter mittels ionensensitiver Feldeffekttransistoren (ISFETs). Durch die n-Wannen-Integrationstechnologie lassen sich mit nur einem Sensorchip pH-Werte, Nitrat-, Phosphat- und Kaliumkonzentrationen parallel und kontinuierlich erfassen.
Dr. Olaf Rüdiger Hild, Geschäftsfeldleiter Chemische Sensorik am Fraunhofer IPMSISFETs 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 im Wasser geeignet. Dies macht sie zu leistungsstarken Werkzeugen in der Umwelt- und Bioanalytik.
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.
Simultane und kontinuierliche Messung verschiedener Parameter
In der pH-Messtechnik finden ISFETs 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.
Chip wie zuvor, chemisch inert verkapseltIn 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.
Die Innovation eröffnet neue Horizonte für die Umwelt- und Bioanalytik. Laut Olaf R. Hild, Leiter des Geschäftsfelds Chemische Sensorik am Fraunhofer IPMS, habe ein Messsystem, welches essenzielle Parameter von Wasser kontinuierlich in Echtzeit erfassen kann, „ein riesiges Marktpotenzial“ für Anwendungen in der Umweltanalytik, der Land- und Wasserwirtschaft sowie im stark wachsenden Indoorfarming-Markt.
Die Nutzung der 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 ermögliche etwa Landwirten, passgenaue Nährstoffgaben vorzunehmen, spare Kosten für Düngemittel und schone die Umwelt.
Die bisher entwickelten Sensoren und die n-Wannen-Integrationstechnologie werden auf der Messe ‚SENSOR+TEST' in Nürnberg vom 11. bis 13. Juni in Halle 1 auf Stand 1-317 vorgestellt.
Schematische Darstellung des Chipquerschnitts mit 2 ISFETs. GOX = Gateoxid, FOX = Feldoxid, Si p++ bzw. n++ = hoch pbzw. n-dotiertes Silizium, Si n = n-dotiertes Silizium, Si n-Well: n-dotiertes Gebiet im Silizium, eine sogenannte n-Wanne, p-Epi-Si = p dotierter Silizium Wafer mit epitaxialer Silizium-Schicht, Sensing-Layer: z.B. ein Metalloxid für pH-Messung oder ein PVC-Membran mit einem ionenselektiven Ionophor. Die Anzahl der ISFETs kann an die Anforderungen der Messaufgabe angepasst werden.
