50 Jahre ISFET – Unzerbrechliche pH-Sensoren
Die Erfolgsgeschichte der ionenselektiven Feldeffekttransistoren (ISFETs) als biochemische und biologische Sensoren
In Kürze
- Die ISFET-Technologie basiert auf einer MOS-Transistoranordnung.
- ISFET-pH-Sensoren erfüllen die kritischen Anforderungen der Lebensmittel- und Life Science Industrie.
- Moderne ISFET-Sensoren bieten gute CIP-Stabilität.
ISFET-Entwicklung
Der erste große Meilenstein war die Veröffentlichung von P. Bergveld im Jahr 1970, in der beschrieben wurde, wie Ionenaktivitäten in elektrochemischen oder biologischen Systemen durch die Kombination der Eigenschaften von MOS-Transistoren und Glaselektroden gemessen werden können.
In den folgenden Jahren entwickelte sich die ISFET-Technologie in viele Richtungen, eine davon war die pH-Messung. Der Beweggrund war klar. Es ging darum, einen unzerbrechlichen, glasfreien pH-Sensor zu entwickeln, um den kritischen Anforderungen der Lebensmittel- und Life Science Industrie gerecht zu werden. Der Glasbruch bei herkömmlichen pH-Sensoren führte zu kostspieligen Produktionsausfällen.
ISFET-Sensoren verwenden eine MOS-Transistoranordnung, bei der das aus Metall bestehende Gate durch ein amphoteres Metalloxid wie Al₂O₃ oder Si₃N₄ ersetzt wird. Die Hydronium- oder Hydroxidionen des Mediums interagieren mit dieser amphoteren Schicht und erzeugen eine Oberflächenladung, die proportional zum pH-Wert ist. Dadurch entsteht eine Leitfähigkeit zwischen Quelle und Senke, die dann von der Transmitterelektronik gemessen wird.
Obwohl sie eine geringe Größe, eine flache Oberfläche und mechanische Stabilität aufwiesen, waren die ersten ISFET-Sensoren aufgrund der Schwierigkeiten beim Einkapseln des Sensorchips nicht für die industrielle Prozesssteuerung geeignet.
Durchbrüche und Industrieanwendungen
Die ersten prozesstauglichen ISFET-Sensoren kamen Mitte der 1990er Jahre auf den Markt. 1996 begann Endress+Hauser mit dem Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) zusammenzuarbeiten, um einen ISFET-pH-Sensor für die Lebensmittelindustrie zu entwickeln. Zu den wichtigsten Innovationen gehörte die Einführung des neuen Gate-Materials Ta₂O₅, das die Langzeitstabilität, die Dampfsterilisierbarkeit und die schnelle Reaktionszeit auch bei niedrigen Temperaturen verbesserte.
Im Jahr 2002 brachte Endress+Hauser die ersten ISFET-Sensoren auf den Markt, beginnend mit dem Hygienesensor CPS471. Die hohe Nachfrage führte zu weiteren Markteinführungen, darunter flüssige KCl-Referenzmodelle und Sensoren mit Lochdiaphragma. Die ersten Produkte waren analog, aber mit der Einführung der Memosens Digitaltechnik im Jahr 2004 wurde ein großer Schritt nach vorne gemacht.
Herausforderungen bei industriellen Anwendungen
Obwohl ISFET-Sensoren in der Lebensmittel-, Getränke-, Life Science und chemischen Industrie weit verbreitet waren, gab es bei den CIP-Prozessen (Cleaning-in-Place) Einschränkungen. Die herkömmlichen CIP-Verfahren mit heißem Natriumhydroxid bei hohen Temperaturen beschädigten das Gate-Material und erforderten zusätzliche Wartungsschritte. Diese Herausforderung führte zur Entwicklung von alkalibeständigen Gate-Materialien. Eine doppelte Schicht aus Ta₂O₅ war die optimale Lösung, da sie die CIP-Stabilität verbesserte und das Kontaminationsrisiko verringerte.
