Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья про транзистор. О концепции в египетской мифологии см. Исфет (Египетская мифология) .

Ион-чувствительный полевой транзистор ( ИСПТ ) представляет собой полевой транзистор используется для измерения концентрации ионов в растворе; когда концентрация ионов (например, H + , см. шкалу pH ) изменяется, ток через транзистор соответственно изменится. Здесь раствор используется как электрод затвора. Напряжение между подложкой и поверхностями оксида возникает из-за ионной оболочки. Это особый тип MOSFET ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) [1], который имеет ту же базовую структуру, но с металлическим затвором.заменены ионно-чувствительной мембраной , раствором электролита и электродом сравнения . [2] Изобретенный в 1970 году ISFET был первым биосенсорным полевым транзистором (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.

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

Механизм, ответственный за поверхностный заряд оксида, можно описать с помощью модели связывания сайтов , которая описывает равновесие между сайтами Si – OH на поверхности и ионами H + в растворе. Гидроксильные группы, покрывающие поверхность оксида, такую ​​как поверхность SiO 2, могут 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 + 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 полевого МОП-транзистора . Электрод затвора 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 [ править ]

Электрод ISFET, чувствительный к концентрации H +, можно использовать в качестве обычного стеклянного электрода для измерения pH раствора. Однако для работы он также требует электрода сравнения . Если электрод сравнения, используемый в контакте с раствором, относится к классическому типу AgCl или Hg 2 Cl 2 , он будет иметь те же ограничения, что и обычные электроды pH (потенциал перехода, утечка KCl и глицерин.утечка 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 клинических анализов in vivo (одноразовый мини-катетерный датчик pH). Выход из строя обычного электрода сравнения также может создать проблему при измерениях в реальном времени в фармацевтической или пищевой промышленности, если очень ценные продукты загрязнены обломками электродов 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 равные 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 бескислородных или восстановительных условиях, 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 поиске неисправностей электродов часто приходится искать большинство проблем со стороны электрода сравнения.

Низкочастотный шум ISFET [ править ]

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 приборный шум от схем считывания оконечных устройств. Собственный шум - это шум, возникающий в твердой части ISFET, который в основном вызван захватом и снятием захвата носителей на границе оксид / Si. Причиной внешнего шума обычно является граница раздела жидкость / оксид, вызываемая ионным обменом на границе раздела жидкость / оксид. Изобретено множество методов подавления шума ISFET. Например, чтобы подавить внешний шум, мы можем интегрировать биполярный переходной транзистор 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 [ править ]

Основой ISFET является MOSFET ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) [1], который первоначально был изобретен египетским инженером Мохамедом М. Аталлой и корейским инженером Давоном Кангом в 1959 году. [6] В 1962 году Леланд С. Кларк и Чемпион Лайонс изобрели биосенсор . [7] [8]

Голландский инженер Пит Бергвельд из Университета Твенте позже изучил MOSFET и понял, что его можно адаптировать в датчик для электрохимических и биологических применений. [9] [1] Это привело к изобретению Бергвельдом ISFET в 1970 году. [10] [9] Он описал ISFET как «особый тип MOSFET с затвором на определенном расстоянии». [1] Это был самый ранний биосенсорный полевой транзистор (BioFET). [7]

Датчики ISFET могут быть реализованы в интегральных схемах на основе технологии CMOS (комплементарная MOS). Устройства ISFET широко используются в биомедицинских приложениях, таких как обнаружение гибридизации ДНК , обнаружение биомаркеров в крови , обнаружение антител , измерение глюкозы и определение pH . [2] ISFET также является основой для более поздних BioFET, таких как полевой транзистор ДНК (DNAFET) [2] [10], используемый в генетической технологии . [2]

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Бергвельд, Пит (октябрь 1985 г.). «Влияние датчиков на основе MOSFET» (PDF) . Датчики и исполнительные механизмы . 8 (2): 109–127. Bibcode : 1985SeAc .... 8..109B . DOI : 10.1016 / 0250-6874 (85) 87009-8 . ISSN  0250-6874 .
  2. ^ a b c d Шёнинг, Майкл Дж .; Погосян, Аршак (10 сентября 2002 г.). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)» (PDF) . Аналитик . 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; Stoop, Ralph L .; Риганте, Сара; Бруннер, Ян; Фу, Ванъян; Дэвид, Кристиан; Каламе, Мишель; Гобрехт, Йенс (февраль 2014 г.). «Исследование доминирующего источника 1 / f-шума в кремниевых нанопроволочных сенсорах» . Датчики и исполнительные механизмы B: химические . 191 : 270–275. DOI : 10.1016 / j.snb.2013.09.112 . ISSN 0925-4005 . 
  4. ^ Чжан, Да; Гао, Синьдун; Чен, Си; Норстрём, Ганс; Смит, Ульф; Соломон, Павел; Чжан, Ши-Ли; Чжан, Чжэнь (2014-08-25). «Биполярный усилитель с ионным управлением для определения ионов с улучшенным сигналом и улучшенными шумовыми характеристиками» . Письма по прикладной физике . 105 (8): 082102. DOI : 10,1063 / 1,4894240 . ISSN 0003-6951 . 
  5. ^ Чен, Си; Чен, Си; Ху, Цитао; Чжан, Ши-Ли; Соломон, Павел; Чжан, Чжэнь (22.02.2019). «Снижение шума устройства для датчиков на основе полевых транзисторов из кремниевых нанопроводов с помощью затвора на переходе Шоттки» . Датчики СКУД . 4 (2): 427–433. DOI : 10.1021 / acssensors.8b01394 . ISSN 2379-3694 . 
  6. ^ "1960: Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован" . Кремниевый двигатель: хронология полупроводников в компьютерах . Музей истории компьютеров . Проверено 31 августа 2019 года .
  7. ^ a b Парк, Иео; Нгуен, Хоанг Хип; Вубит, Абдела; Ким, Мунил (2014). "Применение полевых транзисторов (FET) - тип биосенсоров" (PDF) . Прикладная наука и технология конвергенции . 23 (2): 61–71. DOI : 10.5757 / ASCT.2014.23.2.61 . ISSN 2288-6559 . S2CID 55557610 .   
  8. ^ Кларк, Лиланд С .; Лион, Чемпион (1962). «Электродные системы для непрерывного мониторинга в сердечно-сосудистой хирургии». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 102 (1): 29–45. Bibcode : 1962NYASA.102 ... 29С . DOI : 10.1111 / j.1749-6632.1962.tb13623.x . ISSN 1749-6632 . PMID 14021529 . S2CID 33342483 .   
  9. ^ a b Бергвельд П. (январь 1970 г.). «Разработка ионно-чувствительного твердотельного устройства для нейрофизиологических измерений». IEEE Transactions по биомедицинской инженерии . БМЕ-17 (1): 70–71. DOI : 10.1109 / TBME.1970.4502688 . PMID 5441220 . 
  10. ^ a b Крис Тумазу; Пантелис Георгиу (декабрь 2011 г.). «40 лет технологии ISFET: от нейронального зондирования до секвенирования ДНК» . Письма об электронике . 47 : S7. DOI : 10.1049 / el.2011.3231 . Дата обращения 13 мая 2016 .

Библиография [ править ]

  • 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. DOI : 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 [ править ]

  • Ротберг, Джонатан М (2011). «Интегрированное полупроводниковое устройство, позволяющее неоптическое секвенирование генома» . Природа . 475 (7356): 348–52. DOI : 10,1038 / природа10242 . ISSN  1476-4687 . PMID  21776081 .
  • Бергвельд, П. (1985). «Воздействие датчиков на основе MOSFET» . Датчики и исполнительные механизмы . 8 (2): 109–127. Bibcode : 1985SeAc .... 8..109B . DOI : 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. DOI : 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. DOI : 10.1016 / 0956-5663 (91) 85009-L . 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. DOI : 10.1016 / S0925-4005 (02) 00301-5 . ISSN  0925-4005 .
  • Бергвельд, П. (2003). ISFET, теория и практика (PDF) . Конференция по датчикам IEEE, Торонто, октябрь 2003 г. Торонто: IEEE. С. 26 с. Архивировано из оригинального (PDF) 20 августа 2008 г.
  • 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. DOI : 10.1016 / 0250-6874 (89) 87038-6 . ISSN  0250-6874 .
  • Чуды, М; W Wróblewski; Z Brzózka (1999). «К РЕФЕТУ». Датчики и исполнительные механизмы B: химические . 57 (1–3): 47–50. DOI : 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. DOI : 10.1016 / S0925-4005 (99) 00134-3 . ISSN  0925-4005 .
  • Коллинз, SD (1993). «Практические пределы для твердотельных электродов сравнения». Датчики и исполнительные механизмы B: химические . 10 (3): 169–178. DOI : 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. DOI : 10.1136 / gut.32.3.240 . ISSN  0017-5749 . PMC  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. DOI : 10.1016 / S0925-4005 (99) 00242-7 . ISSN  0925-4005 .
  • Галлаб, YH; В. Бадави; KVIS Kaler. «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. DOI : 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. DOI : 10.1007 / s10008-008-0574-7 . ISSN  1432-8488 . S2CID  94301958 .
  • Хуанг, И-Ю. «Группа исследования химических сенсоров» . Проверено 1 ноября 2010 . Cite journal requires |journal= (help)
  • Хуанг, И-Ю; Руй-Шинг Хуанг; Ли-Си Ло (2002). «Новый структурированный ISFET со встроенным электродом Ti / Pd / Ag / AgCl и микрообработанными контактами P + на задней стороне» . Журнал Китайского института инженеров . 25 (3): 327–334. DOI : 10.1080 / 02533839.2002.9670707 . S2CID  109790089 . Архивировано из оригинала на 2011-07-03 . Проверено 1 ноября 2010 .
  • Kal, S .; Бхану, П.В. (2007). Дизайн и моделирование ISFET для измерения pH . TENCON 2007 - 2007 Конференция IEEE Region 10. Тайбэй. С. 1–4. DOI : 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. DOI : 10.1016 / j.bioelechem.2006.09.006 . ISSN  1567-5394 . PMID  17107827 .
  • Ли, YC; Б.К. Сон (2002). «Разработка электрода сравнения типа полевого транзистора для определения pH». Журнал Корейского физического общества . 40 (4): 601–604. Bibcode : 2002JKPS ... 40..601Y . DOI : 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. DOI : 10.1016 / 0925-4005 (93) 85057-H . ISSN  0925-4005 .
  • Сковронская-Птасинская, М; PD Van Der Wal; Ван Ден Берг; П. Бергвельд; EJR Sudhölter; DN Reinhoudt (1990). «Эталонные полевые транзисторы на основе химически модифицированных ISFET» . Analytica Chimica Acta . 230 : 67–73. DOI : 10.1016 / s0003-2670 (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. DOI : 10.1016 / S0925-4005 (98) 00110-5 . ISSN  0925-4005 .
  • ван ден Берг, А .; 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. DOI : 10.1016 / 0925-4005 (90) 80243-S . 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. DOI : 10.1016 / j.snb.2008.12.001 . ISSN  0925-4005 .