50 años de tecnología ISFET: sensores de pH irrompibles

El primer hito importante de la tecnología ISFET fue la publicación de P. Bergveld del 1970, en la que describía cómo medir la actividad de los iones en sistemas electroquímicos o biológicos al combinar los principios de los transistores MOS y los electrodos de vidrio.

En los siguientes años, la tecnología ISFET evolucionó en muchas direcciones, una de ellas la medición del pH. El motivo estaba claro: crear un sensor de pH irrompible y sin vidrio para abordar las necesidades críticas de las industrias alimentaria y de las Ciencias de la vida. Ya que la rotura del vidrio en los sensores de pH tradicionales provocaba pérdidas de producción muy costosas.

Los sensores ISFET utilizan un esquema de transistores MOS en el que la compuerta de metal se sustituye por un óxido de metal anfótero, como Al₂O₃ o Si₃N₄. Los iones hidronio o hidróxido del producto interactúan con esta capa anfótera para crear una carga superficial proporcional al valor de pH. De esta forma se genera conductividad entre la fuente y el drenador que, a continuación,es medida por la electrónica del transmisor.

A pesar de su pequeño tamaño, superficie plana y estabilidad mecánica, los primeros sensores ISFET no eran adecuados para controlar los procesos industriales dadas las dificultades para encapsular el chip del sensor.

Los primeros sensores ISFET aptos para procesos aparecieron a mediados de los años 90. En el año 1996, Endress+Hauser ya había empezado a colaborar con el Instituto Fraunhofer IPMS para desarrollar un sensor de pH ISFET para la industria alimentaria. La introducción de un nuevo material de la compuerta, Ta₂O₅, fue una innovación clave que mejoró la estabilidad a largo plazo, la capacidad de esterilización con vapor y los tiempos de respuesta, incluso a bajas temperaturas.

En 2002, Endress+Hauser comercializó los primeros sensores ISFET. El primero de ellos fue el sensor higiénico CPS471. La alta demanda propició nuevos lanzamientos, como los modelos con electrodo de referencia líquido KCI y los sensores de paso abierto. Los primeros productos eran analógicos pero, en 2004. se dio un gran paso con la introducción de la tecnología digital Memosens.

Aunque los sensores ISFET se utilizaban habitualmente en la industria alimentaria, de bebidas, en las Ciencias de la vida y en la industria química, presentaban limitaciones en los procesos de limpieza in situ (CIP). Los métodos CIP estándar que utilizaban hidróxido de sodio caliente a altas temperaturas dañaban el material de la compuerta y requerían pasos de mantenimiento a mayores. Este desafío contribuyó al desarrollo de materiales de compuerta estables ante productos alcalinos. La solución óptima fue utilizar una capa doble de Ta₂O₅, lo que mejoró la estabilidad en cuanto a CIP y redujo el riesgo de ensuciamiento.