Progressos significativos alcançados na análise química de líquidos
Controlo de sensores de pH com base em ISFET miniaturizado com sucesso e optimizado para facilidade de utilização
O Instituto Fraunhofer de Microssistemas Fotónicos IPMS alcançou mais um marco na análise química de líquidos. A eletrónica necessária para controlar os transístores de efeito de campo sensíveis aos iões (ISFET) foi miniaturizada várias vezes. Ao mesmo tempo, foi possível reduzir os custos de fabrico e o consumo de energia. A nova eletrónica pode ser disponibilizada para utilização direta ou para integração em sistemas de medição internos.
Eletrónica de avaliação USB para ISFETs da Fraunhofer IPMS.
© Fraunhofer IPMS, Sebastian Lassak
Os ISFET permitem a medição contínua e precisa dos valores de pH, determinando a concentração de determinados iões na água ou noutros meios aquosos em tempo real. Após o notável desenvolvimento dos sensores de pH ISFET à base de pentóxido de nióbio, o Fraunhofer IPMS volta a registar um grande sucesso: os novos sistemas de medição funcionam com um consumo de energia ainda mais baixo do que anteriormente. "Após quase um ano de desenvolvimento, conseguimos controlar os nossos ISFETs de Nb2O5 de forma a que possam medir continuamente com um consumo de energia inferior a 1,3 mW, incluindo a eletrónica", afirma o Dr. Olaf R. Hild, chefe da unidade de negócios de Tecnologia de Sensores Químicos da Fraunhofer IPMS. O consumo de energia do sistema de sensores é de apenas 190 µW. O consumo de energia e o tamanho são parâmetros essenciais para sistemas de medição móveis.
As aplicações surgem na monitorização contínua da água e na análise ambiental. No entanto, as aplicações a longo prazo na tecnologia médica, como a análise de uma vasta gama de fluidos corporais, também requerem sistemas de medição pequenos e eficientes em termos energéticos.
A nova eletrónica de controlo, que será apresentada na feira "Sensor and Test", em Nuremberga, em maio, é particularmente de baixo consumo e, por isso, mais eficiente em termos energéticos, além de ser muito fácil de manusear e estar pronta para utilização imediata. Eles consistem em eletrônica analógica (<1,3 mW) e eletrônica digital que pode ser conectada via USB-C (aprox. 100 mW), o que permite uma calibração rápida no local: "Como os ISFETs Fraunhofer IPMS são extremamente baixos e exibem dependência de Nernst quase perfeita, uma calibração de ponto único é suficiente para a grande maioria das aplicações", explica o desenvolvedor de eletrônicos Hans-Georg Dallmann. Isto garante um elevado nível de precisão, mesmo durante longos períodos de tempo.
Mas Hild e a sua equipa ainda não estão satisfeitos com o que conseguiram: "O próximo objetivo são chips ISFET mais pequenos (< 1mm2), para poderem responder a aplicações de tamanho limitado. A sala limpa está equipada de forma ideal para este desafio", afirma o tecnólogo Falah Al-Falahi com confiança.
Princípios físicos do transístor de efeito de campo sensível a iões da Fraunhofer IPMS
O inovador ISFET da Fraunhofer IPMS baseia-se na tecnologia de transístor de efeito de campo de óxido metálico semicondutor (MOS), em que a área do sensor que entra em contacto com o meio é constituída por uma camada anfotérica de óxido metálico. Os iões de hidrónio ou hidróxido do meio de medição são depositados reversivelmente nesta camada de acordo com o valor de pH (camada sensível ao pH). A tensão de funcionamento (UDS) do ISFET, que é aplicada entre a fonte e o dreno, conduz a uma corrente (IDS). Esta corrente é sempre mantida constante durante a medição (modo de carga constante). A tensão (UGS) entre a fonte e a porta ou o elétrodo de referência (Ag/AgCl em KCl 3M) é então utilizada como sinal de medição.
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