Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Өрістік эффект транзисторының түрі – транзистор.
Type of field effect transistor
the transistor
Ионға сезімтал өрістік эффект транзисторы (ISFET) – ерітіндідегі иондық концентрацияны өлшеуге қолданылатын өрістік эффект транзисторы. Иондық концентрация (мысалы, H+, pH шкаласына қараңыз) өзгергенде, транзистор арқылы өтетін ток сәйкесінше өзгереді. Бұл жерде ерітінді қақпа электроды ретінде қолданылады. Субстрат және оксид беттері арасындағы кернеу иондық қабық пайда болуының нәтижесінде туындайды. Бұл – металл-оксид-жартылайөткізгіш өрістік эффект транзисторының (MOSFET) ерекше түрі, және олардың негізгі құрылымы бірдей, бірақ металл қақпа ионға сезімтал мембранамен, электролит ерітіндісімен және эталондық электродпен алмастырылған. 1970 жылы ойлап табылған ISFET – алғашқы биосенсорлық FET (BioFET) болды. Қақпа материалдарының Si–OH тобының беттік гидролизі pH мәніне байланысты сулы ерітінділерде өзгереді. Қақпа үшін қолданылатын типолық материалдар – SiO2, Si3N4, Al2O3 және Ta2O5. Оксид бетіндегі зарядты қамтамасыз ететін механизмді Si–OH бетіндегі орындар мен ерітіндідегі H+ иондары арасындағы тепе-теңдікті сипаттайтын орынға байланыстыру моделі арқылы түсіндіруге болады. SiO2 сияқты оксид бетін жабатын гидроксилдік топтар протонды беруге немесе қабылдауға қабілетті, сондықтан оксид-электролит интерфейсінде жүретін келесі қышқыл-негіздік реакциялар арқылы көрсетілгендей, амфотерлік қасиет көрсетеді:
An ion sensitive field effect transistor (ISFET) is a field effect transistor used for measuring ion concentrations in solution; when the ion concentration (such as H+, see pH scale) changes, the current through the transistor will change accordingly. Here, the solution is used as the gate electrode. A voltage between substrate and oxide surfaces arises due to an ion sheath. It is a special type of MOSFET (metal–oxide–semiconductor field effect transistor), and shares the same basic structure, but with the metal gate replaced by an ion sensitive membrane, electrolyte solution and reference electrode. Invented in 1970, the ISFET was the first biosensor FET (BioFET). The surface hydrolysis of Si–OH groups of the gate materials varies in aqueous solutions due to pH value. Typical gate materials are SiO2, Si3N4, Al2O3 and Ta2O5. The mechanism responsible for the oxide surface charge can be described by the site binding model, which describes the equilibrium between the Si–OH surface sites and the H+ ions in the solution. The hydroxyl groups coating an oxide surface such as that of SiO2 can donate or accept a proton and thus behave in an amphoteric way as illustrated by the following acid base reactions occurring at the oxide electrolyte interface:
—Si–OH + H2O ↔ —Si–O− + H3O+
—Si–OH + H2O ↔ —Si–O− + H3O+
—Si–OH + H3O+ ↔ —Si–OH2+ + H2O
—Si–OH + H3O+ ↔ —Si–OH2+ + H2O
ISFET-тің бастауышы мен шығысы MOSFET сияқты құрылады. Қақпа электроды каналдан сутегі иондарына сезімтал кедергімен және сыналынатын заттың сезімтал кедергіге жанасуына мүмкіндік беретін аралықпен бөлінеді. ISFET-тің шекті кернеуі оның ионға сезімтал кедергісімен жанасқан заттың pH-ына тәуелді болады.
An ISFET's source and drain are constructed as for a MOSFET. The gate electrode is separated from the channel by a barrier which is sensitive to hydrogen ions and a gap to allow the substance under test to come in contact with the sensitive barrier. An ISFET's threshold voltage depends on the pH of the substance in contact with its ion sensitive barrier.
Бағалау электродына байланысты практикалық шектеулер
Ерітіндінің pH-ін өлшеу үшін H+ концентрациясына сезімтал ISFET электродын дәстүрлі шыны электрод ретінде қолдануға болады. Дегенмен, оның жұмыс істеуі үшін эталондық электрод та қажет. Егер ерітіндімен тікелей жанасатын эталондық электрод AgCl немесе Hg2Cl2 классикалық типі болса, ол дәстүрлі pH электродтарының ұшырауымен бірдей шектеулерге ие болады (қосылыс потенциалы, KCl ағуы және гельдік электродтарда глицериннің ағуы). Кәдімгі эталондық электрод көлемді және сынғыш болуы мүмкін. Классикалық эталондық электродпен шектелген тым үлкен көлем ISFET электродын кішірейтуге кедерілді етеді, бұл кейбір биологиялық немесе in vivo клиникалық талдаулар үшін қажетті ерекшелік (бір рет қолданылатын мини-катетерлік pH зонды). Дәстүрлі эталондық электродтың істен шығуы фармацевтикалық немесе тамақ өнеркәсібінде онлайн өлшемдер жасау кезінде мәселе тудыруы мүмкін, егер өндірістің соңғы сатысында электрод қалдықтарымен немесе уытты химиялық қосылыстармен жоғары құнды өнімдер ластанса және қауіпсіздік үшін оларды жоюға тура келсе. Осы себепті, 20 жылдан бері көптеген зерттеулер микросхемаға енгізілген кішкентай эталондық өріс эффектілік транзисторларға (REFET) бағытталған. Олардың жұмыс принципі немесе жұмыс режимі электрод өндірушілеріне байланысты өзгеруі мүмкін және көбінесе патенттермен қорғалады. REFET үшін қажетті жартылай өткізгішпен өзгертілген беттер әрқашан сынақ ерітіндісімен термодинамикалық тепе-теңдікте болмайды және агрессивті немесе араласатын еріген заттарға немесе жақсы сипатталмаған қартаю құбылыстарына сезімтал болуы мүмкін. Егер электродты белгілі бір уақыт аралығында жиі қайта калибрлеуге болып, оның қызмет ету мерзімі ішінде оңай күтіп ұстауға болып жатса, бұл үлкен проблема емес. Алайда, егер электрод ұзақ уақыт бойы онлайн күйде қалуы керек болса немесе өлшемдердің ерекшеліктеріне байланысты қол жеткізу қиын болса (қатаң ортадағы жоғары су қысымындағы немесе атмосфералық оттегінің кіруімен немесе қысымның өзгеруімен оңай бұзылатын аноксиялық немесе тотығу жағдайларындағы геохимиялық өлшемдер), бұл мәселе тудыруы мүмкін. Осылайша, ISFET электроды үшін, дәстүрлі шыны электродтар сияқты, эталондық электрод маңызды фактор болып қала береді. Электродтың жұмысындағы ақауларды жою кезінде көбінесе мәселелерді эталондық электродтың жағынан іздеу қажет.
An ISFET electrode sensitive to H+ concentration can be used as a conventional glass electrode to measure the pH of a solution. However, it also requires a reference electrode to operate. If the reference electrode used in contact with the solution is of the AgCl or Hg2Cl2 classical type, it will suffer the same limitations as conventional pH electrodes (junction potential, KCl leak, and glycerol leak in case of gel electrode). A conventional reference electrode can also be bulky and fragile. A too large volume constrained by a classical reference electrode also precludes the miniaturization of the ISFET electrode, a mandatory feature for some biological or in vivo clinical analyses (disposable mini catheter pH probe). The breakdown of a conventional reference electrode could also make problem in on line measurements in the pharmaceutical or food industry if highly valuable products are contaminated by electrode debris or toxic chemical compounds at a late production stage and must be discarded for the sake of safety. For this reason, since more than 20 years many research efforts have been dedicated to on chip embedded tiny reference field effect transistors (REFET). Their functioning principle, or operating mode, can vary, depending on the electrode producers and are often proprietary and protected by patents. Semi conductor modified surfaces required for REFET are also not always in thermodynamical equilibrium with the test solution and can be sensitive to aggressive or interfering dissolved species or not well characterized aging phenomena. This is not a real problem if the electrode can be frequently re calibrated at regular time interval and is easily maintained during its service life. However, this may be an issue if the electrode has to remain immersed on line for prolonged period of time, or is inaccessible for particular constrains related to the nature of the measurements itself (geochemical measurements under elevated water pressure in harsh environments or under anoxic or reducing conditions easily disturbed by atmospheric oxygen ingress or pressure changes). A crucial factor for ISFET electrodes, as for conventional glass electrodes, remains thus the reference electrode. When troubleshooting electrode malfunctions, often, most of the problems have to be searched for from the side of the reference electrode.
ISFET-тің төменгі жиілікті шуы
ISFET негізделген сенсорлар үшін төмен жиілікті шу жалпы SNR үшін ең зиянды, себебі ол бірдей жиілік диапазонында орналасқан биомедициналық сигналдарға бөгдел болуы мүмкін. Шудың негізгі үш көзі бар. ISFET-тен тыс шу көздері сыртқы шу деп аталады, мысалы, қоршаған ортаның әсері және терминалдан оқылған тізбектерден туындаған құрал шуы. Ішкі шу ISFET-тің қатты бөлігінде пайда болатын шу, ол негізінен Оксид/Si интерфейсіндегі заряд тасымалдаушыларының тұтқындалуынан және босатылуынан туындайды. Ал сыртқы шу көбінесе сұйықтық/оксид интерфейсіндегі ион алмасудан туындайды. ISFET шуын жою үшін көптеген әдістер ойлап табылды. Мысалы, сыртқы шуды жою үшін біз ISFET-ке біполярлы тоқпен қосылған транзисторды интеграциялап, ағым тогының ішкі күшейтілуін дереу іске асыруға болады. Сонымен қатар, ішкі шуды жою үшін шулы оксид/Si интерфейсін Шоттки торабымен алмастыруға болады.
For ISFET based sensors, low frequency noise is most detrimental to the overall SNR as it can interfere with biomedical signals which span in the same frequency domain. The noise has mainly three sources. The noise sources outside the ISFET itself are referred to as the external noise, such as environmental interference and instrument noise from terminal read out circuits. The intrinsic noise refers to that appearing in the solid part of an ISFET, which is mainly caused by the trapping and de trapping of carriers at the Oxide/Si interface. And the extrinsic noise is generally rooted in the liquid/oxide interface causing by the ion exchange at the liquid/oxide interface. Many methods are invented to suppress the noise of ISFET. For example, to suppress the external noise, we can integrate a bipolar junction transistor with ISFET to realize immediate the internal amplification of drain current. And to suppress the intrinsic noise we can replace the noisy oxide/Si interface by a Schottky junction gate.
Тарих
ISFET-тің негізі – MOSFET. Голландиялық инженер Пит Бергвельд Твенте университетінде MOSFET-ті зерттеді және оны электрохимиялық және биологиялық қолданбаларға арналған сенсор ретінде пайдалануға болатынын анықтады. ISFET сенсорларын CMOS (толықтырылған MOS) технологиясын қолданатын интегралды схемаларда енгізуге болады. ISFET құрылғылары биомедициналық саласында кеңінен қолданылады, мысалы, ДНК гибридтеуін анықтау, қаннан биомаркерлерді іздеу, антиденелерді анықтау, глюкоза деңгейін өлшеу және pH-ты сезу. ISFET кейінірек генетикалық технологияда қолданылатын ДНК өрістік эффекті транзисторы (DNAFET) сияқты BioFET-тердің де негізі болып табылады.
The basis for the ISFET is the MOSFET. Dutch engineer Piet Bergveld, at the University of Twente studied the MOSFET and realized it could be adapted into a sensor for electrochemical and biological applications. ISFET sensors could be implemented in integrated circuits based on CMOS (complementary MOS) technology. ISFET devices are widely used in biomedical applications, such as the detection of DNA hybridization, biomarker detection from blood, antibody detection, glucose measurement and pH sensing. The ISFET is also the basis for later BioFETs, such as the DNA field effect transistor (DNAFET), used in genetic technology.