RED IX.I: TESEO Tecnologas para el Desarrollo de Sensores y Microsistemas

Integracin de Transductores Electroqumicos: Hacia la Lengua Electrnica

Taller de Tecnologas MEMS para Sensores 29-31 de julio de 2002, Buenos Aires

Unimos Electrnica con Qumica

Grupo de Transductores Qumicos

Andrei Bratov

Instituto de Microelectrnica de Barcelona Centro Nacional de Microelectrnica

Interface Sensorial

S E N S O R E S

Medicina Medioambiente Industria Alimentacin

Sensores Electroqumicos para LquidosElectrodos Iono Selectivos Estndar Electrodos Iono Selectivos

Potenciomtricos Potenciomtricos

de Estado Slido ISFETs Electrodos RedOx Directos

Amperomtricos Amperomtricos

De Gases Enzimticos 3D

Conductimtricos Conductimtricos

Planos Interdigitales

Sensores Potenciomtricos

Electrodos Iono Selectivos Estndar

Electrodos Iono Selectivos de Estado Slido

ISFETs

Sensores Potenciomtricos

Sensor qumico

MUESTRA

MEMBRANA TRANSDUCTOR AMPLIFICACIN

Y MEDIDA

SEAL

Generacin de la informacin qumica

Convertidor de la seal qumica a elctrica

Adquisicin y tratamiento de la seal elctrica

Sensores Potenciomtricos Electrodo Iono SelectivoVAg/AgCl Solucin 1 Membrana Solucin 2 Ag/AgCl

E1

C onstante

C onstante Variable

C onstante

E

=

E E1

=

E E2

=

E E3

=

+

l

+

og

l

+

Ere f

a

og

l

Cl

a

og

K

a

K

Todos los potenciales estn bien definidos termodinamicamente(e xt er n)

Sensores Potenciomtricos

ISFETAg/AgCl Solution 1 Membrane SiO2

?

Solid Contact ISEAg/AgCl Solution 1 Membrane Metal

Silicon

E

?

V

g

s

Sin penetracin de agua la interface esta bloqueada i no hay cambios del potencial

Debe existir una reaccin RedOx en la interface que une las corrientes inico y electrnico y fija el potencial

Ventajas del ISFET como sensor de pHElectrodo de vidrioSuperficie sensora Dimensiones Fragilidad Impedancia de salida Sensibilidad (m V p H -1) Deriva Multisensor Produccin Tiempo respuesta Acondicionamiento Forma de bulbo > 100 mm 2 Alta Muy elevada 59 < 1 m V semana -1 Individual Individual Segundos 24 h

ISFETPlana < 1 m m2 Nula Muy baja 55-59 0.1-1 m V h -1 Integrado A gran escala Milisegundos No necesario

INTRODUCCIN : Definicin y caractersticas de los ISFET

Sensores AmperomtricosDirectos

De Gases

MediadorEnzimticosFc+ e-

Enzima Glu Ox glucose

electrode surface

Fc

Glu Ox

Fc

Glu Ox

2eglucolactone + 2H+

Sensores Conductimtricos

100x200

ISFET: Estructura y etapas del proceso tecnolgicoCONTACTOS ELCTRICOS FUENTE SUBSTRATO FUENTE DRENADOR

CANAL N SUBSTRATO PUERTA DRENADOR

p-Si

Etapas del proceso tecnolgico Difusin de impurezas, formacin de fuente y drenador Crecimiento xido delgado, formacin de puerta Deposicin de nitruro por LPCVD, membrana de pH Aperturas de zonas de contactos elctricos. Metalizacin y definicin de las pistas de conexin. Pasivacin.

ISFET: Caractersticas elctricas de respuestaVGSELECTRODO DE REFERENCIA6

5

pH5

Id (mA)

A

4

3

4

2 3 1 2

ACANAL N

VDS

0 0 2 4 V DS(V) 6 8 10

IDID (mA)

1,0

V ds constant

pH 1

pH2

,5

Comportamiento del transistor MOSI DS = m CD W L (V VTH )VDS G

1 2 VDS 2

0,0 -2 0 2 4

V G (V)

ISFET: Fenmenos de respuesta como sensor de pHModelo de enlaces locales Modelo de enlaces locales Gouy-Chapmann-Stern (doble capa Gouy-Chapmann-Stern (doble capa elctrica) elctrica) Ecuacin de Boltzmann Ecuacin de BoltzmannPotencial superficial dielctrico-electrolitoy0 =

2.303

kT b ( pH pcz pH ) q b +1

Dielctrico de puerta

Pendiente (mV pH-1)

Rango lineal (pH)

SiO2 Si3 N4 Al2O3Ta2O 5

25-35, pH>7 37-48, pH