Wasseranalyse 23. Mai 2024 Von Bettina Reckter Lesezeit: ca. 2 Minuten

Neuer Sensorchip misst pH-Wert, Nitrat und Phosphat gleichzeitig

Der neue Sensorchip liefert wertvolle Daten für die Umweltanalytik, die Land- und Wasserwirtschaft sowie das Indoor-Farming.

So sieht ein Chip aus, in dem zwei individuelle ISFETs in jeweils einer n-Wanne vorliegen, gebondet auf einer Keramikplatine.
Foto: Fraunhofer IPMS

In der Wasserwirtschaft gehören kontinuierliche Messungen von bestimmten Parametern zum täglichen Pflichtprogramm. Schwierig ist es allerdings, die Werte gleichzeitig und in Echtzeit zu erfassen. Nun haben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS eine Technologie entwickelt, mit der die gleichzeitige Messung verschiedener Wasserparameter mittels ionensensitiver Feldeffekttransistoren (ISFETs) möglich wird. Mit der sogenannten n-Wannen-Integrationstechnologie können künftig mit nur einem Sensorchip pH-Werte, Nitrat-, Phosphat- und Kaliumkonzentrationen parallel und kontinuierlich ermittelt werden. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Umwelt- und Bioanalytik, der Land- und Wasserwirtschaft, aber auch für den stark wachsenden Markt der Indoor-Farming-Anwendungen.

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„Ein derartiges Messsystem, welches essenzielle Parameter von Wasser kontinuierlich in Echtzeit erfassen kann, hat ein riesiges Marktpotenzial“, ist Olaf R. Hild überzeugt. „Wir haben mit dieser Technologie eine Alleinstellung in Europa“, sagt der Leiter des Geschäftsfelds Chemische Sensorik am Fraunhofer IPMS.

Schematische Darstellung des Chipquerschnitts mit zwei ISFETs. Foto: Fraunhofer IPMS

Wie funktionieren die neuen Sensorchips?

Basis der Entwicklung am Fraunhofer IPMS ist die MOS-Feldeffekttransistortechnologie (MOS: Metal-Oxid-Semiconductor). 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.

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Für jede zu detektierende Ionensorte muss ein ISFET mit einer entsprechenden ionenselektiven Membran beschichtet werden. Mehrere ISFETs können auf einem Chip zusammengeschaltet werden. Weil sich so der pH-Wert sowie die Konzentration zahlreicher Ionen im Wasser exakt ermitteln lassen, sind diese multifunktionalen Sensoren leistungsstarke Werkzeuge für die Umwelt- und Bioanalytik. Gemeinsam mit Forschungspartnern können jetzt weitere anwendungsspezifische, ionenselektive Beschichtungen entwickelt und integriert werden.

Die bisher entwickelten Sensoren und die n-Wannen-Integrationstechnologie werden auf der Messe Sensor+Test in Nürnberg vom 11. bis 13. Juni vorgestellt.

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