ISFET - ISFET

An ионно-чувствительный полевой транзистор (ISFET) это полевой транзистор используется для измерения концентрации ионов в растворе; когда концентрация ионов (например, ЧАС⁺, увидеть pH шкала) изменяется, ток через транзистор соответственно изменится. Здесь раствор используется как электрод затвора. Напряжение между подложкой и окись поверхности возникает из-за ион оболочка. Это особый вид МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник),^[1] и имеет ту же базовую структуру, но с металлические ворота заменен ионно-чувствительным мембрана, электролит решение и электрод сравнения.^[2] Изобретенный в 1970 году ISFET был первым биосенсор FET (BioFET).

Схематическое изображение ISFET. Исток и сток - это два электрода, используемые в системе полевых транзисторов. Электронный поток проходит в канале между стоком и истоком. Потенциал затвора управляет потоком тока между двумя электродами.

Поверхность гидролиз Si – OH-групп материалов затвора изменяется в водных растворах в зависимости от значения pH. Типичные материалы ворот: SiO₂, Si₃N₄, Al₂О₃ и Та₂О₅.

Механизм, ответственный за поверхностный заряд оксида, можно описать следующим образом: модель привязки сайта, который описывает равновесие между поверхностными узлами Si – OH и H⁺ ионы в растворе. Гидроксильные группы, покрывающие поверхность оксида, такого как SiO₂ может отдавать или принимать протон и, таким образом, вести себя амфотерным образом, что иллюстрируется следующими кислотно-основными реакциями, происходящими на границе раздела оксид-электролит:

—Si – OH + H₂O ↔ —Si – O⁻ + H₃О⁺

—Si – OH + H₃О⁺ ↔ —Si – OH₂⁺ + H₂О

Исток и сток ISFET сконструированы как МОП-транзистор. Электрод затвора отделен от канала перегородкой, чувствительной к ионы водорода и зазор, позволяющий испытуемому веществу контактировать с чувствительным барьером. ISFET пороговое напряжение зависит от pH вещества, контактирующего с его ионно-чувствительным барьером.

Практические ограничения из-за электрода сравнения

Электрод ISFET, чувствительный к H⁺ концентрацию можно использовать как обычную стеклянный электрод измерить pH решения. Однако для этого также требуется электрод сравнения работать. Если электрод сравнения, используемый в контакте с раствором, имеет AgCl или Hg₂Cl₂ классический тип, он будет иметь те же ограничения, что и обычные pH-электроды (потенциал перехода, KCl утечка, и глицерин течь в случае гелевого электрода). Обычный электрод сравнения также может быть громоздким и хрупким. Слишком большой объем, ограниченный классическим электродом сравнения, также исключает миниатюризацию электрода ISFET, что является обязательной функцией для некоторых биологических или in vivo клинические анализы (одноразовый мини-катетерный pH-зонд). Выход из строя обычного электрода сравнения может также создать проблему при оперативных измерениях в фармацевтической или пищевой промышленности, если очень ценные продукты загрязнены обломками электрода или токсичными химическими соединениями на поздней стадии производства и должны быть выброшены в целях безопасности.

По этой причине на протяжении более 20 лет многие исследования были посвящены встроенным в кристалл крошечным эталонным полевым транзисторам (REFET). Их принцип действия или режим работы могут различаться в зависимости от производителей электродов и часто являются собственностью и защищены патентами. Полупроводниковые модифицированные поверхности, необходимые для REFET, также не всегда находятся в термодинамическом равновесии с исследуемым раствором и могут быть чувствительны к агрессивным или мешающим растворенным веществам или плохо охарактеризованным явлениям старения. Это не проблема, если электрод можно часто перекалибровать через регулярные промежутки времени и легко обслуживать в течение всего срока службы. Однако это может быть проблемой, если электрод должен оставаться в рабочем состоянии 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 бескислородной среде). или восстановительные условия, которые легко нарушаются проникновением атмосферного кислорода или изменениями давления).

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

Низкочастотный шум ISFET

Для датчиков на основе ISFET низкочастотный шум является наиболее пагубным для общего отношения сигнал / шум, поскольку он может мешать биомедицинским сигналам, которые охватывают ту же частотную область.^[3] У шума в основном три источника. Источники шума за пределами самого ISFET называются внешними шумами, такими как помехи окружающей среды и инструментальный шум от схем считывания терминала. Собственный шум - это шум, возникающий в твердой части ISFET, который в основном вызван захватом и снятием захвата носителей на границе оксид / Si. Причем внешний шум обычно связан с границей раздела жидкость / оксид, вызываемой ионным обменом на границе раздела жидкость / оксид. Придумано много методов подавления шума ISFET. Например, чтобы подавить внешний шум, мы можем интегрировать транзистор с биполярным переходом с ISFET, чтобы немедленно реализовать внутреннее усиление тока стока.^[4] А чтобы подавить собственный шум, мы можем заменить зашумленный интерфейс оксид / кремний затвором на переходе Шоттки.^[5]

История

Основой ISFET является МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник),^[1] который изначально был изобретен египетским инженером Мохамед М. Аталла и корейский инженер Давон Канг в 1959 г.^[6] В 1962 г. Лиланд К. Кларк и Champ Lyons изобрели биосенсор.^[7][8]

Голландский инженер Пит Бергвельд, на Университет Твенте, позже изучил MOSFET и понял, что его можно адаптировать в датчик для электрохимический и биологический Приложения.^[9][1] Это привело к изобретению ISFET Бергвельдом в 1970 году.^[10][9] Он описал ISFET как «особый тип MOSFET с затвором на определенном расстоянии».^[1] Это был самый ранний Биосенсор FET (BioFET).^[7]

Датчики ISFET могут быть реализованы в интегральные схемы на основе CMOS (дополнительная MOS) технология. Устройства ISFET широко используются в биомедицинский приложения, такие как обнаружение Гибридизация ДНК, биомаркер обнаружение от кровь, антитело обнаружение глюкоза измерение и pH зондирование.^[2] ISFET также является основой для более поздних BioFET, таких как Полевой транзистор ДНК (DNAFET),^[2][10] используется в генетическая технология.^[2]

Смотрите также

• Химический полевой транзистор
• Ионоселективные электроды
• MISFET: полевой транзистор металл – диэлектрик – полупроводник.
• МОП-транзистор: полевой транзистор металл – оксид – полупроводник.
• pH
• pH метр
• Потенциометрия
• Хингидроновый электрод
• Насыщенный каломельный электрод
• Хлорсеребряный электрод
• Стандартный водородный электрод

использованная литература

Список используемой литературы

• Бергвельд, П. (2003). «Тридцать лет ISFETOLOGY. Что произошло за последние 30 лет и что может произойти в следующие 30 лет». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 88: 1–20. Дои:10.1016 / S0925-4005 (02) 00301-5.

• Бергвельд, П. (2003). ISFET, теория и практика (PDF). Конференция IEEE Sensor, октябрь 2003 г. Торонто: IEEE. п. 26.
• Датчики pH ISFET

дальнейшее чтение

• Ротберг, Джонатан М (2011). «Интегрированное полупроводниковое устройство, позволяющее неоптическое секвенирование генома». Природа. 475 (7356): 348–52. Дои:10.1038 / природа10242. ISSN  1476-4687. PMID  21776081.
• Бергвельд, П. (1985). «Влияние датчиков на основе MOSFET». Датчики и исполнительные механизмы. 8 (2): 109–127. Bibcode:1985SeAc .... 8..109B. Дои:10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN  0250-6874.
• Бергвельд, П. (1986). «Разработка и применение биосенсоров на основе полевых транзисторов». Биосенсоры. 2 (1): 15–33. Дои:10.1016 / 0265-928X (86) 85010-6. ISSN  0265-928X. PMID  3790175.
• Бергвельд, П. (1991). «Критическая оценка методов прямого электрического обнаружения белков». Биосенсоры и биоэлектроника. 6 (1): 55–72. Дои:10.1016 / 0956-5663 (91) 85009-Л. ISSN  0956-5663. PMID  2049171.
• Бергвельд, П. (2003). «Тридцать лет ISFETOLOGY: что произошло за последние 30 лет и что может произойти в следующие 30 лет». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 88 (1): 1–20. Дои:10.1016 / S0925-4005 (02) 00301-5. ISSN  0925-4005.
• Бергвельд, П. (2003). ISFET, теория и практика (PDF). Конференция IEEE Sensor Conference, Торонто, октябрь 2003 г. Торонто: IEEE. стр. 26 стр. Архивировано из оригинал (PDF) на 2008-08-20.
• Bergveld, P; Ван ден Берг; П. Д. Ван дер Валь; М Сковронская-Птасинская; EJR Sudhölter; Д. Н. Рейнхудт (1989). «Как электрические и химические требования к REFET могут совпадать». Датчики и исполнительные механизмы. 18 (3–4): 309–327. Дои:10.1016/0250-6874(89)87038-6. ISSN  0250-6874.
• Чуды, М; W Wróblewski; Z Brzózka (1999). «К ВОПРОСУ». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 57 (1–3): 47–50. Дои:10.1016 / S0925-4005 (99) 00134-3. ISSN  0925-4005.
• Чуды, Михал; Войцех Врублевски; Збигнев Бжожка (1999). «К РЕФЕТУ». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 57 (1–3): 47–50. Дои:10.1016 / S0925-4005 (99) 00134-3. ISSN  0925-4005.
• Коллинз, С. (1993). «Практические ограничения для твердотельных электродов сравнения». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 10 (3): 169–178. Дои:10.1016/0925-4005(93)87002-7. ISSN  0925-4005.
• Duroux, P; C Emde; П. Бауэрфайнд; К. Фрэнсис; Гризель; L Thybaud; Д. Армстронг; C Depeursinge; А. Л. Блюм (1991). «PH-электрод на ионно-чувствительном полевом транзисторе (ISFET): новый датчик для долгосрочного амбулаторного мониторинга pH». Кишечник. 32 (3): 240–245. Дои:10.1136 / гут.32.3.240. ISSN  0017-5749. ЧВК  1378826. PMID  2013417.
• Errachid, A .; Дж. Боселлс; Н. Яффрезич-Рено (1999). «Простой REFET для определения pH в дифференциальном режиме». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 60 (1): 43–48. Дои:10.1016 / S0925-4005 (99) 00242-7. ISSN  0925-4005.
• Ghallab, Y.H .; В. Бадави; K.V.I.S. Калер. «Новый датчик pH, использующий схему считывания дифференциального тока ISFET». Труды Международной конференции по MEMS, NANO и интеллектуальным системам. Международная конференция по MEMS, NANO и интеллектуальным системам. Банф, Альта, Канада. С. 255–258. Дои:10.1109 / ICMENS.2003.1222002.
• Guth, U; Ф Герлах; M Decker; W Oelßner; В. Вонау (2009). «Твердотельные электроды сравнения для потенциометрических датчиков». Журнал электрохимии твердого тела. 13 (1): 27–39. Дои:10.1007 / s10008-008-0574-7. ISSN  1432-8488. S2CID  94301958.
• Хуанг, И-Ю. «Группа исследования химических сенсоров». Получено 2010-11-01. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
• Хуанг, И-Ю; Руй-Шинг Хуанг; Ли-Си Ло (2002). «Новый структурированный ISFET со встроенным электродом Ti / Pd / Ag / AgCl и микромеханическими контактами P + на задней стороне». Журнал Китайского института инженеров. 25 (3): 327–334. Дои:10.1080/02533839.2002.9670707. S2CID  109790089. Архивировано из оригинал на 2011-07-03. Получено 2010-11-01.
• Kal, S .; Бхану, П. В. (2007). Разработка и моделирование ISFET для измерения pH. TENCON 2007 - 2007 Конференция IEEE Region 10. Тайбэй. С. 1–4. Дои:10.1109 / TENCON.2007.4428805. ISBN  978-1-4244-1272-3.
• Кисиэль, Анна; Агата Михальска; Кшиштоф Максимюк (сентябрь 2007 г.). «Пластиковые электроды сравнения и пластиковые потенциометрические ячейки с мембранами на основе дисперсионного литья поли (3,4-этилендиокситиофена) и поливинилхлорида». Биоэлектрохимия. 71 (1): 75–80. Дои:10.1016 / j.bioelechem.2006.09.006. ISSN  1567-5394. PMID  17107827.
• Ли, YC; Б.К. Сон (2002). «Разработка электрода сравнения типа FET для определения pH». Журнал Корейского физического общества. 40 (4): 601–604. Bibcode:2002JKPS ... 40..601Y. Дои:10.3938 / jkps.40.601. ISSN  0374-4884.
• Lisdat, F .; В. Мориц (август 1993 г.). «Эталонный элемент на основе твердотельной конструкции». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 15 (1–3): 228–232. Дои:10.1016 / 0925-4005 (93) 85057-Н. ISSN  0925-4005.
• Сковронская-Птасинская, М; PD Van Der Wal; Ван ден Берг; П. Бергвельд; EJR Sudhölter; Д. Н. Рейнхудт (1990). «Эталонные полевые транзисторы на основе химически модифицированных ISFET». Analytica Chimica Acta. 230: 67–73. Дои:10.1016 / с0003-2670 (00) 82762-2. ISSN  0003-2670.
• Сузуки, Хироаки; Тайши Хиракава; Сатоши Сасаки; Исао Карубе (15 февраля 1998 г.). «Микрообработанный электрод сравнения Ag / AgCl с жидкостным переходом». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 46 (2): 146–154. Дои:10.1016 / S0925-4005 (98) 00110-5. ISSN  0925-4005.
• van den Berg, A .; А. Гризель; Его Святейшество ван ден Флеккерт; Н.Ф. де Рой (январь 1990 г.). «Микрообъемный электрод сравнения с открытым жидкостным спаем для pH-ISFET». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 1 (1–6): 425–432. Дои:10.1016 / 0925-4005 (90) 80243-С. ISSN  0925-4005.
• Vonau, W .; W. Oelßner; У. Гут; Дж. Хенце (17 февраля 2010 г.). «Полностью твердотельный электрод сравнения». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 144 (2): 368–373. Дои:10.1016 / j.snb.2008.12.001. ISSN  0925-4005.