50 år med ISFET - Uknuselige pH-sensorer
Reisen til ioneselektive felteffekttransistorer (ISFET) som biokjemiske og biologiske sensorer
I korte trekk
- ISFET-teknologien er basert på et MOS-transistorarrangement.
- ISFET pH-sensorer dekker de kritiske behovene i næringsmiddelindustrien og biovitenskapelig industri.
- Moderne ISFET-sensorer gir god CIP-stabilitet.
ISFET-utviklingen
Den første store milepælen var P. Bergvelds publikasjon i 1970, som beskrev hvordan ioniske aktiviteter i elektrokjemiske eller biologiske systemer kunne måles ved å kombinere prinsippene for MOS-transistorer og glasselektroder.
I årene som fulgte, utviklet ISFET-teknologien seg i mange retninger, og en av dem var pH-måling. Grunnen var klar: å skape en uknuselig, glassfri pH-sensor for å møte de kritiske behovene i næringsmiddelindustrien og biovitenskapen. Glassbrudd i tradisjonelle pH-sensorer førte til kostbare produksjonstap.
ISFET-sensorer bruker et MOS-transistorarrangement der metallgaten er erstattet av et amfotert metalloksid som Al₂O₃ eller Si₃N₄. Mediets hydronium- eller hydroksidioner interagerer med dette amfotere laget og skaper en overflateladning som er proporsjonal med pH-verdien. Dette skaper en ledningsevne mellom kilde og avløp som deretter måles av senderelektronikken.
Selv om de første ISFET-sensorene hadde liten størrelse, flat overflate og mekanisk stabilitet, var de ikke egnet for industriell prosesskontroll fordi det var vanskelig å kapsle inn sensorbrikken.
Gjennombrudd og anvendelser i industrien
De første prosessklare ISFET-sensorene dukket opp på midten av 1990-tallet. I 1996 begynte Endress+Hauser å samarbeide med Fraunhofer IPMS Institute for å utvikle en ISFET pH-sensor for næringsmiddelindustrien. Viktige innovasjoner var introduksjonen av et nytt gate-materiale, Ta₂O₅, som forbedret langtidsstabiliteten, dampsteriliserbarheten og den raske responstiden selv ved lave temperaturer.
I 2002 lanserte Endress+Hauser de første ISFET-sensorene, først og fremst den hygieniske sensoren CPS471. Stor etterspørsel førte til flere lanseringer, blant annet referansemodeller for flytende KCl og sensorer med åpen blenderåpning. De første produktene var analoge, men med introduksjonen av Memosens' digitale teknologi i 2004 ble det tatt et stort skritt fremover.
Utfordringer i industrien
Selv om ISFET-sensorer var mye brukt i næringsmiddel-, drikkevare-, biovitenskaps- og kjemisk industri, hadde de sine begrensninger når det gjaldt CIP-prosesser (cleaning-in-place). Standard CIP-metoder med bruk av varmt natriumhydroksid ved høye temperaturer skadet gate-materialet og krevde ekstra vedlikeholdstrinn. Denne utfordringen førte til utviklingen av alkalistabile gate-materialer. Et dobbelt lag av Ta₂O₅ var den optimale løsningen, som forbedret CIP-stabiliteten og reduserte risikoen for kontaminering.
