Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) hat mit der Entwicklung eines innovativen Chips einen bedeutenden Fortschritt in der pH-Messtechnik erzielt. Diese neue Technologie verspricht, die Messung des pH-Wertes nicht nur einfacher, sondern auch robuster und zuverlässiger zu gestalten. Anstelle der herkömmlichen und oft fehleranfälligen Referenzelektroden wird nun ein widerstandsfähiger Chip eingesetzt, der sich durch seine einfache Handhabung und Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen auszeichnet.
Die präzise Bestimmung des pH-Wertes stellt eine wesentliche Herausforderung in der Chemiesensorik dar. Bisher wurden oft Silber/Silberchlorid/Kaliumchlorid-Elektroden verwendet, die zwar ein stabiles Bezugspotenzial bieten, jedoch sehr empfindlich auf Veränderungen der Elektrolytkonzentration reagieren. Probleme wie verstopfte Membranen oder das Austrocknen der Elektroden führen häufig zu unzuverlässigen Messwerten. Während die pH-sensitive Glaselektrode bereits erfolgreich durch robuste Ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs) ersetzt wurde, ist es dem Fraunhofer IPMS nun gelungen, auch die empfindliche Referenzelektrode durch einen speziellen Referenz-ISFET (REFET) zu ersetzen.
Dr. Olaf Hild, Abteilungsleiter für chemische Sensoren und Systeme am Fraunhofer IPMS, betont die Vorteile der neuen ISFET-Technologie. Diese Chips sind nicht nur stabil und zuverlässig, sie vermeiden auch die typischen Probleme der herkömmlichen Referenzelektroden. Dazu gehören Verstopfungen, Drift durch Konzentrationsänderungen und Kontaminationen der Messlösung. Solche Eigenschaften machen die neuen Messsysteme besonders geeignet für mobile Anwendungen sowie die Integration in kompakte Geräte.
In der neuen pH-Messtechnologie des Fraunhofer IPMS kommt anstelle einer klassischen Referenzelektrode ein zweiter ISFET zum Einsatz, der in Kombination mit einem pH-ISFET arbeitet. Dieser Referenz-ISFET zeigt eine deutlich geringere pH-Steilheit von beispielsweise 20 mV/pH im Vergleich zu den üblichen 59 mV/pH bei einer Temperatur von 25°C, wie es die Nernst-Gleichung beschreibt. Die ISFETs sind mit dünnen Schichten aus Niobpentoxid (Nb₂O₅) oder Tantalpentoxid (Ta₂O₅) beschichtet, was ihnen hohe Stabilität und einfache Handhabung verleiht.
Die beiden ISFETs werden über eine Hilfselektrode betrieben, die es ermöglicht, die elektrischen Signale präzise zu messen und daraus den pH-Wert zu bestimmen. Obwohl das zugrunde liegende Konzept des ISFET-REFET nicht neu ist und bereits in den 1980ern von Professor Piet Bergveld und seinen Kollegen entwickelt wurde, konnte es bislang nicht in kommerzielle Anwendungen umgesetzt werden. Mit der neuen Entwicklung des Fraunhofer IPMS soll sich dies jedoch ändern.
Aktuell ermöglicht die Technologie pH-Messungen im Bereich von etwa 4 bis 8, was für viele Anwendungen in den Bereichen Biologie, Medizin, Landwirtschaft und Umweltanalytik von großer Bedeutung ist. Derzeit sind zwei 5 × 5 mm² große Chips erforderlich, um eine ordnungsgemäße Benetzung zu gewährleisten. Es besteht jedoch die Möglichkeit, diese auf Kundenwunsch zu verkleinern. In Zukunft plant das Institut, beide Chips auf einem einzigen, gleich großen Chip mit integrierter Temperaturmessung zu vereinen.
Für Langzeitmessungen, die eine 2- oder 3-Punkt-Kalibrierung erfordern, ist es entscheidend, die Sensordrift zu kontrollieren, die durch die Ansteuerelektronik kompensiert werden kann. Hans-Georg Dallmann, Elektronikentwickler am Fraunhofer IPMS, erläutert die Funktionsweise dieser Ansteuerung. Damit ist ein klarer Entwicklungsplan für die kommenden Schritte am Fraunhofer IPMS festgelegt: Die Erweiterung des pH-Messbereichs des REFET, die Reduzierung der Sensordrift und die Integration aller Komponenten auf einem einzigen Chip.
Obwohl noch viel Arbeit vor den Forschenden liegt, freut sich Dr. Hild, dass bereits Test-Kits zur Verfügung stehen. Diese werden auf der Analytica 2026 präsentiert, und interessierte Fachbesucher können vorab individuelle Termine auf der Webseite des Fraunhofer IPMS vereinbaren. In Anbetracht der vielfältigen Anwendungsbereiche und der praktischen Vorteile dieser neuen Technologie
