50 anos de ISFET - Sensores de pH inquebráveis
A jornada dos transistores de efeito de campo sensíveis a íons (ISFET - ion-selective field-effect transistors) como sensores bioquímicos e biológicos
Resumo
- A tecnologia ISFET é baseada em um arranjo de transistores MOS.
- Os sensores de pH ISFET atendem às necessidades críticas das indústrias alimentícia e de life sciences.
- Os sensores ISFET modernos oferecem boa estabilidade CIP.
Evolução do ISFET
O primeiro grande marco foi a publicação de P. Bergveld em 1970, que descreveu como as atividades de íons em sistemas eletroquímicos ou biológicos poderiam ser medidas através da combinação dos princípios de transistores MOS e eletrodos de vidro.
Nos anos seguintes, a tecnologia ISFET evoluiu em muitas direções, uma das quais foi a medição de pH. O motivo era claro: criar um sensor de pH inquebrável e sem vidro para atender às necessidades críticas das indústrias alimentícia e de life sciences. A quebra do vidro nos sensores de pH tradicionais estava causando perdas dispendiosas na produção.
Os sensores ISFET usam um arranjo de transistores MOS em que a porta de metal é substituída por um óxido de metal anfotérico, como Al₂O₃ ou Si₃N₄. Os íons de hidrônio ou hidróxido do meio interagem com essa camada anfotérica, criando uma carga de superfície proporcional ao valor do pH. Isso cria uma condutividade entre a fonte e o dreno, que é então medida pelos componentes eletrônicos do transmissor.
Embora tivessem um tamanho pequeno, superfície plana e estabilidade mecânica, os primeiros sensores ISFET não eram adequados para o controle de processos industriais devido às dificuldades de encapsular o chip do sensor.
Inovações e aplicações na indústria
Os primeiros sensores ISFET adequados para processos surgiram em meados da década de 1990. Em 1996, a Endress+Hauser começou a cooperar com o Instituto Fraunhofer IPMS para desenvolver um sensor de pH ISFET para a indústria alimentícia. As principais inovações foram a introdução de um novo material de porta, o Ta₂O₅, que melhorou a estabilidade de longo prazo, a possibilidade de esterilização a vapor e o tempo de resposta rápido, mesmo em baixas temperaturas.
Em 2002, a Endress+Hauser lançou os primeiros sensores ISFET, começando com o sensor sanitário CPS471 . . A alta demanda levou a outros lançamentos, incluindo modelos de referência de KCl líquido e sensores de abertura aberta. Os primeiros produtos eram analógicos, mas com a introdução da tecnologia digital Memosens em 2004, foi dado um grande passo à frente.
Desafios da indústria
Embora os sensores ISFET fossem amplamente usados na indústria alimentícia, de life sciences e química, eles tinham limitações nos processos de limpeza no local (CIP). Os métodos CIP padrão que usam hidróxido de sódio quente em altas temperaturas danificavam o material da porta e exigiam etapas adicionais de manutenção. Esse desafio levou ao desenvolvimento de materiais de porta estáveis a álcalis. Uma camada dupla de Ta₂O₅ foi a solução ideal, melhorando a estabilidade para CIP e reduzindo o risco de contaminação.
