50 anni di ISFET - Sensori di pH infrangibili
Il percorso compiuto dagli ISFET (Ion-Selective Field-Effect Transistor) come sensori biochimici e biologici
In breve
- La tecnologia ISFET si basa sui transistor MOS.
- I sensori di pH ISFET rispondono alle esigenze critiche dei settori alimentare e farmaceutico.
- I moderni sensori ISFET assicurano una buona stabilità nei processi CIP.
Evoluzione della tecnologia ISFET
La prima tappa importante è stata la pubblicazione di P. Bergveld, nel 1970, che spiegava in che modo l'attività degli ioni nei sistemi elettrochimici o biologici poteva essere misurata combinando i principi dei transistor MOS e degli elettrodi di vetro.
Negli anni successivi, la tecnologia ISFET si è evoluta in molte direzioni, una delle quali era la misura del pH. Il motivo era evidente: creare un sensore di pH infrangibile, privo di vetro, per rispondere alle esigenze critiche dell'industria alimentare e di quella farmaceutica. La rottura del vetro nei tradizionali sensori di pH era causa di costose perdite di produzione.
I sensori ISFET utilizzano una configurazione di transistor MOS in cui il gate metallico è sostituito da un ossido metallico anfotero come Al₂O₃ o Si₃N₄. Gli ioni idronio o idrossido del fluido interagiscono con questo strato anfotero, creando una carica superficiale proporzionale al valore del pH. Questo crea una conduttività tra sorgente e dreno che viene poi misurata dall'elettronica del trasmettitore.
Nonostante avessero dimensioni ridotte, superficie piana e stabilità meccanica, i primi sensori ISFET non erano adatti al controllo dei processi industriali a causa delle difficoltà di incapsulamento del chip del sensore.
Innovazioni e applicazioni industriali
I primi sensori ISFET pronti a essere utilizzati nei processi sono comparsi a metà degli anni '90 del secolo scorso. Nel 1996, Endress+Hauser ha iniziato a collaborare con il Fraunhofer IPMS Institute per sviluppare un sensore di pH ISFET per l'industria alimentare. Le innovazioni chiave sono state l'introduzione di un nuovo materiale per il gate - Ta₂O₅ - che ha migliorato la stabilità a lungo termine, la possibilità di sterilizzazione a vapore e il tempo di risposta anche a basse temperature.
Nel 2002, Endress+Hauser ha lanciato i primi sensori ISFET, a partire dal sensore igienico CPS471. L'elevata domanda ha portato al lancio di ulteriori versioni, tra cui i modelli con elettrodo KCl di riferimento per i liquidi e i sensori con diaframma a giunzione. I primi prodotti erano analogici ma, nel 2004, con l'introduzione della tecnologia digitale Memosens è stato fatto un grande passo avanti.
Sfide delle applicazioni industriali
Anche se i sensori ISFET erano ampiamente utilizzati nell'industria alimentare, nel settore farmaceutico e in quello chimico, avevano comunque delle limitazioni nei processi CIP (Cleaning-In-Place). I metodi CIP standard che utilizzano idrossido di sodio caldo ad alte temperature danneggiavano il materiale del gate e richiedevano ulteriori operazioni di manutenzione. Questa sfida ha portato allo sviluppo di materiali stabili agli alcali per i gate. Un doppio strato di Ta₂O₅ era la soluzione ottimale, perché migliorava la stabilità CIP e riduceva il rischio di contaminazione.
