50 ans d'ISFET - capteurs de pH incassables

La première grande étape a été la publication de P. Bergveld en 1970 décrivant comment les activités ioniques dans les systèmes électrochimiques ou biologiques peuvent être mesurées en combinant les principes des transistors MOS et des électrodes en verre.

Au cours des années suivantes, la technologie ISFET a évolué dans de nombreuses directions, l'une d'elles étant la mesure de pH. L'objectif était clair : créer un capteur de pH sans verre incassable pour répondre aux besoins critiques des industries agroalimentaires et des sciences de la vie. La rupture du verre dans les capteurs de pH classiques entraînait des pertes de production coûteuses.

Les capteurs ISFET utilisent un dispositif de transistor MOS où la grille métallique est remplacée par un oxyde métallique amphotère comme Al₂O₃ ou Si₃N₄. Les ions hydronium ou hydroxyde du fluide interagissent avec cette couche amphotère, créant une charge de surface proportionnelle à la valeur de pH. Ceci crée une conductivité entre la source et le drain, qui est ensuite mesurée par l'électronique du transmetteur.

Malgré leur petite taille, leur surface plane et leur stabilité mécanique, les premiers capteurs ISFET n'étaient pas utilisables pour la conduite des process industriels en raison des difficultés à intégrer la puce du capteur.

Les premiers capteurs process ISFET sont apparus au milieu des années 1990. En 1996, Endress+Hauser a commencé à collaborer avec l'Institut Fraunhofer IPMS pour développer un capteur de pH ISFET pour l'industrie agroalimentaire. Les innovations clés ont été l'introduction d'un nouveau matériau de grille, Ta₂O₅, qui améliore la stabilité à long terme, la stérilisation à la vapeur et le temps de réponse rapide même à basse température.

En 2002, Endress+Hauser a lancé les premiers capteurs ISFET, avec le capteur hygiénique CPS471. La demande croissante a entraîné des développements supplémentaires, notamment pour des modèles avec référence KCl pressurisable et jonction ouverte. Les premiers produits étaient analogiques mais avec l'introduction de la technologie numérique Memosens en 2004, un grand pas en avant a été fait.

Bien que les capteurs ISFET fussent largement utilisés dans les secteurs agroalimentaire, des boissons, des sciences de la vie et chimique, leur utilisation était limitée dans les process avec nettoyage en place (NEP). Le process de NEP standard utilisant l'hydroxyde de sodium chaud à haute température endommageait le matériau de la grille et nécessitait des étapes d'entretien supplémentaires. Ce défi a conduit à l'élaboration de matériaux de grille stables aux produits alcalins. Une double couche de Ta₂O₅ était la solution optimale pour améliorer la stabilité au NEP et réduire le risque de contamination.