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Messprinzip
1)
Metal Oxide Semiconductor
2
Arbeitsweise und Systemaufbau
Ionenselektive bzw. allgemeiner ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFET) wurden in den 70er
Jahren als Alternative zur Glaselektrode für die pH-Messung entwickelt.
Grundlagen
Ionenselektive Feldeffekttransistoren beruhen auf einer MOS
→ 1, 2, der das metallische Gate (Pos. 1) als Steuerelektrode fehlt. An seiner Stelle befindet
sich beim ISFET → 2, 2 das Medium (Pos. 3) in direktem Kontakt mit der Gate-Isolator-
schicht (Pos. 2). In n-leitendes Grundmaterial (Pos. 5) des Halbleiters (Si) sind zwei stark p-leitende
Gebiete eindiffundiert. Sie wirken als stromliefernde ("Source", S) und stromaufnehmende ("Drain", D)
Elektrode. Die metallische Gate-Elektrode beim MOSFET bzw. das Medium beim ISFET bildet zusam-
men mit dem darunter befindlichen Substrat einen Kondensator. Ein Potenzialunterschied (Span-
nung) zwischen Gate und Substrat (U
zwischen "Source" und "Drain". Es entsteht ein leitfähiger Kanal → 2, 2(Pos. 4), so dass bei
Anlegen einer Spannung U
D
U
GS
Si (p)
S
Si (n)
U
1
Prinzip MOSFET
1
Metallisches Gate
2
Leitfähiger Kanal (N-leitend)
Beim ISFET erzeugen im Medium vorhandene Ionen, die sich in der Grenzschicht Medium/Gate-Iso-
lator befinden, das elektrische Feld (Gatepotenzial). Der beschriebene Effekt führt im Silizium-Halb-
leitersubstrat zwischen "Source" und "Drain" zur Entstehung eines leitfähigen Kanals und bewirkt den
Stromfluss zwischen "Source" und "Drain".
Geeignete Sensorschaltungen nutzen die Abhängigkeit des ionenselektiven Gatepotenzials. Dadurch
wird ein der Konzentration der Ionenart proportionales Ausgangssignal erzeugt.
pH-selektiver ISFET
Der Gate-Isolator dient als ionenselektive Schicht für H
diese Ionen undurchlässig (Isolatorwirkung), lässt aber reversible (umkehrbare) Oberflächenreaktio-
nen mit H
+
-Ionen zu. Je nach saurem oder basischem Charakter des Mediums nehmen funktionelle
Gruppen in der Isolatoroberfläche H
funktionellen Gruppen). Dies führt zu einer positiven (H
tiven (H
+
-Abgabe im basischen Medium) Aufladung der Oberfläche des Isolators. Damit kann in
Abhängigkeit vom pH-Wert eine definierte Oberflächenladung zur Steuerung des Feldeffekts im
Kanal zwischen "Source" und "Drain" genutzt werden. Die Vorgänge, die zum Aufbau eines Ladungs-
) bewirkt eine Erhöhung der Elektronendichte im Bereich
GS
ein Strom I
fließt.
D
1
2
Si (p)
D
6
I
D
5
D
A0036074
2
1
2
3
4
5
6
+
-Ionen. Der Gate-Isolator ist zwar auch für
+
-Ionen auf oder geben diese ab (amphoterer Charakter der
+
Memosens CPS97D
1)
-Transistoranordnung
1
U
GS
Si (p)
S
Si (n)
U
D
Prinzip ISFET
Referenzelektrode
Gate-Isolatorschicht
Medium
leitfähiger Kanal (N-leitend)
N-dotiertes Siliziumsubstrat
Sensorschaft
-Aufnahme im sauren Medium) oder nega-
Endress+Hauser
2
3
4
Si (p)
D
I
D
A0003856
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