stringtranslate.com

ИСФЕТ

Ионно -чувствительный полевой транзистор ( ISFET ) — это полевой транзистор, используемый для измерения концентрации ионов в растворе; когда концентрация ионов (например, H + , см. шкалу pH ) изменяется, ток через транзистор будет изменяться соответствующим образом. Здесь раствор используется в качестве затворного электрода. Напряжение между подложкой и оксидными поверхностями возникает из-за ионной оболочки. Это особый тип MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), [1] и имеет ту же базовую структуру, но с металлическим затвором, замененным на ионно-чувствительную мембрану , раствор электролита и эталонный электрод . [2] Изобретенный в 1970 году, ISFET был первым биосенсорным полевым транзистором (BioFET).

Схематическое изображение ISFET. Исток и сток — два электрода, используемые в системе FET. Поток электронов происходит в канале между стоком и истоком. Потенциал затвора управляет потоком тока между двумя электродами.

Поверхностный гидролиз групп Si–OH материалов затвора изменяется в водных растворах из-за значения pH. Типичными материалами затвора являются SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 и Ta 2 O 5 .

Механизм, ответственный за заряд поверхности оксида, можно описать моделью связывания сайтов , которая описывает равновесие между сайтами поверхности Si–OH и ионами H + в растворе. Гидроксильные группы, покрывающие поверхность оксида, например, SiO 2, могут отдавать или принимать протон и, таким образом, вести себя амфотерным образом, как показано следующими кислотно-основными реакциями, происходящими на границе оксид-электролит:

—Si–OH + H 2 O ↔ —Si–O −     + H 3 O +
—Si–OH + H 3 O +   ↔ —Si–OH 2 + + H 2 O

Исток и сток ISFET сконструированы так же, как и у MOSFET . Затворный электрод отделен от канала барьером, чувствительным к ионам водорода , и зазором, позволяющим испытуемому веществу контактировать с чувствительным барьером. Пороговое напряжение ISFET зависит от pH вещества, контактирующего с его ионно-чувствительным барьером.

Практические ограничения из-за электрода сравнения

Электрод ISFET, чувствительный к концентрации H +, можно использовать в качестве обычного стеклянного электрода для измерения pH раствора. Однако для его работы также требуется электрод сравнения . Если электрод сравнения, используемый в контакте с раствором, относится к классическому типу AgCl или Hg2Cl2 , он будет иметь те же ограничения, что и обычные электроды pH (потенциал перехода, утечка KCl и утечка глицерина в случае гелевого электрода). Обычный электрод сравнения также может быть громоздким и хрупким. Слишком большой объем, ограниченный классическим электродом сравнения, также препятствует миниатюризации электрода ISFET, что является обязательной функцией для некоторых биологических или клинических анализов in vivo (одноразовый мини-катетерный зонд pH). Поломка обычного электрода сравнения также может создать проблему при измерениях в режиме реального времени в фармацевтической или пищевой промышленности, если высокоценные продукты загрязнены обломками электрода или токсичными химическими соединениями на поздней стадии производства и должны быть утилизированы в целях безопасности.

По этой причине, уже более 20 лет многие исследовательские усилия были посвящены встроенным в чип крошечным опорным полевым транзисторам (REFET). Их принцип функционирования или режим работы может различаться в зависимости от производителей электродов и часто являются запатентованными и защищены патентами. Полупроводниковые модифицированные поверхности, необходимые для REFET, также не всегда находятся в термодинамическом равновесии с тестовым раствором и могут быть чувствительны к агрессивным или мешающим растворенным веществам или недостаточно изученным явлениям старения. Это не является реальной проблемой, если электрод можно часто перекалибровать через регулярные интервалы времени и легко поддерживать в течение срока службы. Однако это может быть проблемой, если электрод должен оставаться погруженным в оперативную среду в течение длительного периода времени или недоступен из-за особых ограничений, связанных с характером самих измерений (геохимические измерения при повышенном давлении воды в суровых условиях или в бескислородных или восстановительных условиях, легко нарушаемых проникновением атмосферного кислорода или изменениями давления).

Решающим фактором для электродов ISFET, как и для обычных стеклянных электродов, остается, таким образом, электрод сравнения. При устранении неисправностей электродов, зачастую, большинство проблем приходится искать со стороны электрода сравнения.

Низкочастотный шум ISFET

Для датчиков на основе ISFET низкочастотный шум наиболее вреден для общего SNR, поскольку он может мешать биомедицинским сигналам, которые охватывают ту же частотную область. [3] Шум имеет в основном три источника. Источники шума за пределами самого ISFET называются внешним шумом, например, помехи окружающей среды и шум прибора от цепей считывания терминалов. Собственный шум относится к тому, что появляется в твердотельной части ISFET, что в основном вызвано захватом и освобождением носителей на интерфейсе оксид/Si. А внешний шум, как правило, коренится в интерфейсе жидкость/оксид, вызывая ионообмен на интерфейсе жидкость/оксид. Изобретено много методов для подавления шума ISFET. Например, для подавления внешнего шума мы можем интегрировать биполярный переходной транзистор с ISFET, чтобы реализовать немедленное внутреннее усиление тока стока. [4] А для подавления собственного шума мы можем заменить шумный интерфейс оксид/Si затвором с переходом Шоттки. [5]

Дрейф ISFET

Дрейф ISFET относится к нестабильности порогового напряжения. Когда собственный отклик pH-ISFET завершен, выходное напряжение ISFET все еще изменяется со временем постепенно и монотонно, и это поведение дрейфа существует в течение всего процесса измерения. Это было одним из серьезных препятствий в разработке коммерчески жизнеспособных биомедицинских датчиков на основе ISFET. В частности, высокая точность, необходимая для непрерывного мониторинга pH крови, налагает строгие требования на допустимую скорость дрейфа в pH ISFET. [6]

Предлагаемые объяснения дрейфа включают в себя усиленную электрическим полем миграцию ионов внутри затворного изолятора, а также электрохимические неравновесные условия на границе изолятора и раствора, инжекцию электронов из электролита при сильных анодных поляризациях, создание отрицательного пространственного заряда внутри пленок изолятора и медленные поверхностные эффекты. [7]


История

Основой для ISFET является MOSFET . Голландский инженер Пит Бергвельд из Университета Твенте изучал MOSFET и понял, что его можно адаптировать в датчик для электрохимических и биологических применений. [8] [1] Это привело к изобретению Бергвельдом ISFET в 1970 году. [9] [8] Он описал ISFET как «особый тип MOSFET с затвором на определенном расстоянии». [1] Это был самый ранний биосенсорный FET (BioFET). [10]

Датчики ISFET могут быть реализованы в интегральных схемах на основе технологии CMOS (комплементарный МОП). Устройства ISFET широко используются в биомедицинских приложениях, таких как обнаружение гибридизации ДНК , обнаружение биомаркеров в крови , обнаружение антител , измерение глюкозы и измерение pH . [2] ISFET также является основой для более поздних BioFET, таких как полевой транзистор ДНК (DNAFET), [2] [9], используемый в генной технологии . [2]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Бергвельд, Пит (октябрь 1985 г.). "Влияние датчиков на основе МОП-транзисторов" (PDF) . Датчики и приводы . 8 (2): 109–127. Bibcode : 1985SeAc....8..109B. doi : 10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN  0250-6874.
  2. ^ abcd Schöning, Michael J.; Poghossian, Arshak (10 сентября 2002 г.). "Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)" (PDF) . Analyst . 127 (9): 1137–1151. Bibcode :2002Ana...127.1137S. doi :10.1039/B204444G. ISSN  1364-5528. PMID  12375833.
  3. ^ Беднер, Кристина; Гузенко Виталий А.; Тарасов Алексей; Випф, Матиас; Ступ, Ральф Л.; Риганте, Сара; Бруннер, Ян; Фу, Ванъян; Дэвид, Кристиан; Калам, Мишель; Гобрехт, Йенс (февраль 2014 г.). «Исследование доминирующего источника шума 1/f в датчиках из кремниевых нанопроволок». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 191 : 270–275. Бибкод : 2014SeAcB.191..270B. дои :10.1016/j.snb.2013.09.112. ISSN  0925-4005.
  4. ^ Чжан, Да; Гао, Синьдун; Чэнь, Си; Норстрём, Ганс; Смит, Ульф; Соломон, Пол; Чжан, Ши-Ли; Чжан, Чжэнь (2014-08-25). "Ионно-запираемый биполярный усилитель для ионного зондирования с улучшенными характеристиками сигнала и шума". Applied Physics Letters . 105 (8): 082102. Bibcode : 2014ApPhL.105h2102Z. doi : 10.1063/1.4894240. ISSN  0003-6951.
  5. ^ Чэнь, Си; Чэнь, Си; Ху, Цитао; Чжан, Ши-Ли; Соломон, Пол; Чжан, Чжэнь (2019-02-22). «Снижение шума устройства для датчиков на основе кремниевых нанопроводных полевых транзисторов с использованием затвора перехода Шоттки». ACS Sensors . 4 (2): 427–433. doi :10.1021/acssensors.8b01394. ISSN  2379-3694. PMID  30632733. S2CID  58624034.
  6. ^ Chou, Jung chuan (2022). «Подготовка и исследование свойств дрейфа и гистерезиса ISFET-затвора на основе оксида олова методом золя–геля». Датчики и приводы B: Химия . 86 (1): 58-62. doi :10.1016/S0925-4005(02)00147-8.
  7. ^ Jamasb, S (1997). "Физически обоснованная модель дрейфа в Al/sub 2/O/sub 3/-затворных pH ISFET". IEEE (2): 1379-1382.
  8. ^ ab Bergveld, P. (январь 1970 г.). «Разработка ионочувствительного твердотельного устройства для нейрофизиологических измерений». Труды IEEE по биомедицинской инженерии . BME-17 (1): 70–71. doi :10.1109/TBME.1970.4502688. PMID  5441220.
  9. ^ ab Крис Тумазу; Пантелис Георгиу (декабрь 2011 г.). "40 лет технологии ISFET: от нейронного зондирования до секвенирования ДНК". Electronics Letters . 47 : S7. doi :10.1049/el.2011.3231 . Получено 13 мая 2016 г. .
  10. ^ Park, Jeho; Nguyen, Hoang Hiep; Woubit, Abdela; Kim, Moonil (2014). «Применение биосенсоров на основе полевых транзисторов (FET)». Applied Science and Convergence Technology . 23 (2): 61–71. doi : 10.5757/ASCT.2014.23.2.61 . ISSN  2288-6559. S2CID  55557610.

Библиография

Дальнейшее чтение