Water controleren op pH, zouten en zware metalen. Dankzij een chip vol ionensensoren van imec kan dat straks tegelijk en goedkoop.

Futuristen voorzien een interactieve wereld vol slimme sensoren die alles en iedereen met elkaar verbinden. Ze bewaken onze gezondheid en veiligheid, en anticiperen op onze wensen. Wil die wereld bewaarheid worden, dan zijn er grote hoeveelheden slimme, betaalbare sensoren nodig.

Eén compacte chip

Als je op dit moment de kwaliteit van drink-, zwem- of rivierwater continu wilt controleren, dan ben je al zeker € 2.000 kwijt aan de verschillende sensoren om de pH, het zoutgehalte en mogelijke vervuilingen zoals zware metalen te meten. Bovendien moet je die sensoren vervolgens elke paar maanden weer schoonmaken en kalibreren.

Marcel Zevenbergen, senior onderzoeker sensoren bij imec/Holst Centre, probeert de verschillende sensoren te integreren in één compacte chip. De allernieuwste versie van die ionensensor meet pH en chloride en heeft aan slechts 5 µl monster genoeg. Bovendien kun je de meetchip vrij eenvoudig uitbreiden met sensoren om meer parameters te bepalen. ‘Het allermooiste nieuws is dat de miniatuurmulti-ionensensor straks € 20 à 50 gaat kosten’, schat Zevenbergen.

Een logische toepassing is de waterkwaliteit monitoren. Je zou vaker, continu of op meerdere plaatsen kunnen meten. Dat is niet alleen nuttig voor waterbedrijven, maar ook in tuinbouwkassen. Zeven­bergen: ‘Een multisensor kan controleren of alle nutriënten de gewassen bereiken en of die ze goed opnemen.’ Ook in de medische wereld zijn de kleine multi-ionensensoren welkom. Denk aan de bepaling van fysiologisch belangrijke zouten zoals natrium en kalium in zweet. Omdat de meetchip draadloos kan communiceren, is hij draagbaar en ook geschikt om bijvoorbeeld in een afgelegen sloot te plaatsen.

‘Op een standaard wafer passen al honderden sensoren’

De chip bevat ion-selectieve elektrodes en een referentie-elektrode. Die zijn dicht naast elkaar aangebracht op een silicium­ondergrond. De pH bepaal je met een iridiumoxide-elektrode, de chlorideconcentratie met een zilver/zilverchloride-elektrode. De referentie-elektrode (ook Ag/AgCl) heeft een intern reservoir gevuld met een 1 M KCl-oplossing. Het reservoir staat via een kanaaltje van circa 10 µm doorsnee in contact met de te meten vloeistof.

Zevenberg: ‘Op een standaardwafer van 6 inch passen al honderden van die sensoren. Dus draai je al heel snel productie. Dat maakt de sensor goedkoop.’ Elke multi-ionensensor moet je na productie ijken en in water of een vochtige atmosfeer bewaren. Na een paar maanden gebruik is opnieuw ijken nodig. Volgens Zevenberg kan dat door de lage aanschafprijs in de praktijk neerkomen op weggooien, of beter gezegd recyclen.

Even gevoelig

Dat het prototype even gevoelig, accuraat en snel is als de grotere, klassieke ionensensoren, lieten Zevenbergen en collega-onderzoekers zien in een paper voor de International Electron Devices Meeting eind 2016. Ze testten hun sensor in melk, cola, azijn, sojasaus en sinaasappelsap, en ook voor zweet en speeksel. ‘De ontwikkeling is nu zover dat we de vinding overdragen aan partners binnen het Holst Centre. Maar wanneer de sensor daadwerkelijk op de markt komt, kan ik nu nog niet zeggen.’

Het onderzoekswerk is zeker nog niet klaar. Zevenbergen: ‘We kijken nu welke sensoren we nog meer kunnen toevoegen en onderzoeken welke factoren de drift bepalen. Op die manier hopen we de tijd tot herkalibratie verder te kunnen rekken.’