20.02.2020
Die Entwicklung der bruchfesten pH-Sensoren
Dr. Martin Freundenberger, Endress + Hauser Liquid Analysis
Vor 50 Jahren begann die Erfolgsgeschichte von ionenselektiven Feldeffekttransistoren (ISFET) als biochemische bzw. biologische Sensoren. Die erste bedeutende Veröffentlichung kam von P. Bergveld im Jahre 1970. Darin wird beschrieben, wie die Kombination des Prinzips eines Metall-Oxid-Halbleiter-Transistors (englisch: metal-oxide-semiconductor MOS) und einer Glaselektrode zur Messung von Ionenaktivitäten in elektrochemischen oder biologischen Systemen eingesetzt werden kann.
Die Entwicklungen gingen in den nächsten Jahren in unterschiedliche Richtungen, eine davon war die pH-Messung. Angetrieben wurde diese Entwicklung durch die Aussicht, einen bruchfesten, glasfreien pH-Sensor bauen zu können, wie er speziell für Einsatzgebiete in der Lebensmittel- oder Life-Sciences-Branche schon lange gefordert war. Denn in diesen hygienischen Prozessen führte Glasbruch von Standard-pH-Glas-Sensoren oft zum Verwerfen kompletter, teurer Herstellungschargen.
Die ISFETs beruhen physikalisch auf einer MOS-Transistoranordnung, bei der das metallische Gate als Steuerelektrode durch ein amphoteres Metalloxid (z.B. Al2O3) oder Si3N4 ersetzt wird. Das Medium berührt diese amphotere Schicht. Hydronium- oder Hydroxidionen aus dem Medium lagern sich reversibel und in ihrem Verhältnis dem pH-Wert entsprechend an der Oberfläche an und bewirken dort eine Oberflächenladung.
Diese erzeugt eine Nernst-Spannung, ist dadurch ein Maß für den pH-Wert und bewirkt eine Spiegelladung auf der anderen Seite des Isolators, wodurch der Bereich zwischen Source und Drain leitähig wird. Diese Leitfähigkeit ist proportional zum pH-Wert des Mediums und wird durch die Elektronik des Messumformers ausgewertet. Als Referenz dient beim ISFET die klassische Ag/AgCl Referenz in 3 M KCl.