ES2554128T3 - Dispositivo ISFET - Google Patents

Abstract

Un dispositivo semiconductor para detectar una concentración de iones de una muestra, comprendiendo el dispositivo: una pluralidad de transistores de efecto de campo (FET) acoplados a una puerta de flotación común; y una capa de detección de iones expuesta a la muestra y acoplada a la puerta de flotación; caracterizado porque, en uso, se enciende o se apaga una corriente a través de los transistores en función de la magnitud de la concentración de iones en la muestra en la proximidad de la capa de detección en comparación con un umbral de conmutación.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

DESCRIPCION

Dispositivo ISFET Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a un dispositivo y a un procedimiento para conmutar una salida electrica de acuerdo con la concentracion de iones de una muestra.

Antecedentes

En general los ISFET se construyeron para una medicion (analogica) de tiempo continuo con circuitos de pre- procesamiento analogicos alrededor de los mismos. Normalmente la conversion de analogico a digital es una de las etapas del procesamiento. Este es el caso en el que se necesita un continuo de valores. Sin embargo, hay muchas aplicaciones en las que se solicita una decision de sf / no. Por ejemplo, en la hibridacion del ADN y la deteccion de insercion SNP, es suficiente para detectar que un procedimiento se ha realizado o no con una respuesta sf / no (5) (6). Otras aplicaciones requieren simplemente una comparacion entre las concentraciones de dos elementos qmmicos en una solucion. Por ejemplo, si la creatinina es de mayor concentracion que la urea o viceversa (7).

Un transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) se compone de un transistor de efecto de campo (FET) cuya puerta esta expuesta a cargas ionicas en un electrolito. Un electrodo de referencia se sumerge en la solucion de electrolito que entra en contacto con el oxido de la puerta del transistor. Vease la figura 1. Por lo tanto, la combinacion del electrolito y el electrodo de referencia desempenan el papel de la puerta en un MOSFET normal. El oxido de la puerta convierte la membrana sensible a iones. Los modos de funcionamiento electricos de un FET pueden expresarse por:

Debil

Ids = /ooTe nUr '

Triodo de inversion

Region de saturacion

hs=(y„ - vt)vDS - v-f-• <1>

imagen1

Las cafdas de tension que surgen de las interacciones del electrodo de referencia, el electrolito y la membrana sensible a iones pueden verse como parte de o la tension de origen de la puerta (Vgs) o la tension de umbral (Vt). Esto se soporta por el hecho de que es su diferencia la que aparece en las relaciones MOSFET Id-Vgs en todas las regiones de funcionamiento, ecuacion (1).

A partir de la analogfa anterior, se debate si el electrodo de referencia desempena de manera remota el papel de la puerta MOS (1). Por lo tanto, el electrolito desempena el papel de la puerta de metal que entra en contacto con el oxido de la puerta. En el MOSFET, Vt se decide por el material de puerta, el dopaje del sustrato, su aislador y las cargas en este sistema, ecuacion (2). Es una constante para cada dispositivo; y debido a que el procedimiento de fabricacion esta muy bien controlado, su variacion a traves de los dispositivos esta bien controlada. Sin embargo, en el ISFET de acuerdo con esta analogfa, el electrolito ha pasado a formar parte de este sistema haciendo su Vt en funcion de las propiedades del electrolito, ecuacion (3) (1). La tension umbral puede expresarse por:

MOSFET vt = gt + 2 (2)

<7 cox 1

ISFET Vt = -¥ + x501 ~ —~ Q?*.*?”**1* + 2<t>f (3)

<? cox j

en la que: es la funcion de trabajo del metal, §Si es la funcion de trabajo de silfceo, q es la carga del electron, Qox es la carga acumulada en el aislante de oxido, Qss es la carga atrapada en la interfaz de oxido de silicio, QB es la carga de agotamiento en la masa de silicio, Cox es la capacitancia de oxido de la puerta, y fa define el inicio de la inversion en funcion de los niveles de dopaje de silicio. En la ecuacion (3), se sustituye tanto por el parametro qmmico del potencial y de interfaz de la membrana-electrolito sensible a iones, como por el potencial de dipolo de

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

superficie del electrolito en contacto con la membrana Xs0 sensible a iones. El primero es una funcion de la concentration de iones de electrolito, en el que el pH es una posible medida de la misma. El ultimo es una constante. La ecuacion (3) sugiere que la tension de umbral del ISFET puede modificarse usando la concentracion de iones de electrolito (l).

En 1999, Bausells y col. integraron un ISFET usando el procedimiento CMOS convencional de metal doble y unico poli-siticon de 1^m de Atmel-ES2 (10). Ellos integraron un amplificador CMOS convencional en la misma matriz. Basicamente, el ISFET se dio, por primera vez, en una puerta de poli-silicio que era flotante y estaba conectada a la pila de metal hasta la capa de metal superior en la que se detectaron los iones a traves de la pasivacion del oxi- nitruro. Esta idea basica se realizo por otros y los ISFET se construyeron en diferentes procedimientos de CMOS comerciales con capas multiples de metal (10) (11) (12).

Es interesante observar que la parte de transistor en este caso es efectivamente un FG-MOSFET y la parte sensible se parece a un condensador sensible a iones en el que el metal superior es una placa y el electrolito forma la segunda, mientras que la pasivacion es la capa de aislamiento. Esto es muy similar al sensor de iones capacitivo tradicional que resulta si se elimina el electrodo de referencia.

La capacitancia de pasivacion de la puerta del transistor puede considerarse dividida para hacer dos estructuras diferentes. Por lo tanto, la puerta de transistor del ISFET puede llamarse la “puerta electrica” y el metal mas alto bajo la membrana sensible a iones podria llamarse la “puerta qmmica”.

Por lo tanto, Vt es una constante dependiente del procedimiento dado por la ecuacion (2). La dependencia qmmica introducida en la ecuacion (3) puede expresarse como parte de la tension de puerta de flotation del ISFET dada por:

VFG = Vref~ V+XS0l + VQpass (4)

en la que, VQpass se debe a las cargas atrapadas en la capa de pasivacion.

Usando el modelo de disociacion de sitio y el modelo de doble capa de Gouy-Chapman-Stern, el ISFET puede modelarse como en la figura 2. En la que Vchem es la tension qmmica derivada a partir del electrolito y su interfaz para tanto el electrodo de referencia como para la membrana de detection de iones (6).

Vchem -Y+ Vqpass + 2.3aUT pH (5)

En la que, y es una agrupacion de todos los terminos independientes del pH a partir de las cargas atrapadas de pasivacion que es VQpass. UT es la tension termica normal, y a es un parametro de sensibilidad con valores entre 0 < a < 1. Su maximo proporciona el limite teorico conocido como la sensibilidad de Nernstian proporcionado por 59,2 mV/pH a 25 °C (1).

La mayoria de las publicaciones sobre ISFET consideran Vt como un parametro en funcion del pH. Los inventores han apreciado que desde un punto de vista de circuito puro, el ISFET es efectivamente un FGMOS convencional con su puerta acoplada de manera capacitiva a las tensiones superpuestas Vref y Vchem. Por lo tanto, se las considera que forman la entrada de puerta de flotacion y se asume Vt como una constante, como un MOSFET convencional. Por lo tanto, un cambio de pH puede verse como una modulation de Vgs en lugar de Vt. Sin embargo, desde un punto de vista ffsico, no hay ningun cambio en el sistema y se mantiene el mismo analisis. Por lo tanto, las ecuaciones (1) y (2) siguen siendo validas, la ecuacion (3) no es mas relevante, y la ecuacion (5) representa la tension qmmica.

El primer intento de usar un ISFET para construir un inversor se debio al Dr. Shepherd y sus colegas (5) (16). La figura 4 muestra un ISFET como un NMOS en un amplificador inversor AB de clase convencional con el papel del PMOS realizado por un transistor normal. La entrada esta conectada tanto a la puerta del PMOS (M2) como al electrodo de referencia del n-ISFET (X1). Por lo tanto, el umbral de conmutacion del circuito cambia en proportion al pH de la solution.

Por lo tanto, los cambios de pH modulan la tension de puerta del n-MOS, pero no la del p-MOS. Es decir, solo la mitad del par complementario es sensible al pH. El transistor de armar ve una entrada diferente a la del transistor de desarme, siendo la diferencia Vchem.

Sin embargo, esto puede ser aceptable si no hay cargas atrapadas de deriva o de pasivacion. Una Vt del ISFET puede tener una variation inicial, debido a las cargas atrapadas de pasivacion, en el intervalo de unos pocos voltios (17) (12). Esto puede hacer la funcion de conmutacion del circuito no operativa, especialmente si el n-ISFET tiene una tension de umbral negativa.

Nishiguchi Katsuhiko y col. (Applied Physics Letters, volumen 94, n° 16, 21 de Abril de 2009, paginas 163106163106) describen los ISFET de nanocables de Si con una puerta de flotacion compartida.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Sumario de la invencion

Los aspectos de la invencion se exponen en las reivindicaciones adjuntas. De acuerdo con un primer aspecto, un primer dispositivo semiconductor para detectar un cambio en una concentracion de iones de una muestra comprende una pluralidad de transistores de efecto de campo (FET) acoplados a una puerta de flotacion comun y a una capa de deteccion de iones expuesta a la muestra y acoplada a la puerta de flotacion.

Durante el funcionamiento, se enciende o se apaga una corriente a traves de los transistores en funcion de la magnitud de la concentracion de iones en la muestra en la proximidad de la capa de deteccion en comparacion con un umbral de conmutacion.

El dispositivo puede construirse usando unos procedimientos de CMOS comerciales.

De acuerdo con un segundo aspecto, se proporciona un circuito para detectar una pluralidad de reacciones qmmicas y evaluar una funcion logica que tiene el resultado de cada una de la pluralidad de reacciones qmmicas como sus entradas, comprendiendo el circuito al menos una camara de reaccion para cada una de la pluralidad de reacciones qmmicas, reacciones qmmicas que cambian una concentracion de iones en la camara de reaccion. Cada camara de reaccion esta provista de un dispositivo de acuerdo con el primer aspecto desvelado anteriormente, proporcionando cada dispositivo una senal de salida digital cuyo estado esta en funcion de la concentracion de iones de esa camara, y en la que las salidas estan acopladas entre sf para formar un circuito de procesamiento de senales digitales para evaluar una funcion logica.

De acuerdo con un tercer aspecto, un procedimiento proporciona una salida que representa una concentracion de un ion objetivo en una muestra. El procedimiento comprende proporcionar un conmutador CMOS que comprenda una pluralidad de transistores de efecto de campo (FET) acoplados a una puerta de flotacion comun y una capa de deteccion de iones expuesta a la muestra y acoplada a la puerta de flotacion; exponiendo la capa sensible a iones a la muestra para conmutar un estado del conmutador CMOS a encendido o apagado; y emitir una senal desde el conmutador CMOS.

Usando una puerta de flotacion comun, el dispositivo puede conmutar de alta sensibilidad a cambios ionicos y de baja sensibilidad a otros componentes como una carga atrapada.

Modificando los circuitos inversores conocidos, los inventores han aumentado la sensibilidad por ordenes de magnitud. Los inversores excitados de alta sensibilidad de pH hacen posible detectar pequenos cambios de pH que de otro modo no senan factibles. Esto mejora las sensibilidades de medicion y relaja las restricciones en los volumenes y las concentraciones de muestra.

Este circuito puede usarse para realizar operaciones de monitorizacion de la reaccion y umbralizacion del pH para una camara de reaccion. Su salida digital puede usarse para construir circuitos digitales convencionales con entradas procedentes de diferentes camaras de reaccion. Esto facilita la construccion de laboratorio basada en ISFET completamente digitales en aplicaciones de microplacas.

Breve descripcion de los dibujos

Las realizaciones espedficas de la invencion se describiran a continuacion solamente a modo de ejemplo con referencia a las figuras adjuntas, en las que:

La figura 1 es una ilustracion en seccion transversal de un ISFET y analogamente al MOSFET;

La figura 2 es (A) una representacion en seccion transversal de un ISFET construido con un procedimiento CMOS convencional y, (B) su representacion de circuito;

La figura 3 es un modelo de un ISFET;

La figura 4 es un inversor ISFET de la tecnica anterior;

La figura 5 es una ilustracion de un dispositivo sensible a iones generalizado con multiples entradas;

La figura 6 es (A) una representacion esquematica de un FGMOS, (B) una representacion esquematica de un inversor ISFET, (C) un circuito equivalente del inversor ISFET;

La figura 7 es una representacion de circuito de un inversor qmmico amplificado;

La figura 8 es una grafica que muestra el punto de conmutacion para un inversor ISFET;

La figura 9 muestra un inversor ISFET con una segunda entrada;

La figura 10 es un modelo de un inversor qmmico basado en un ISFET de sensibilidad mejorada;

5

10

15

20

25

30

35

40

45

La figura 11 es una grafica que muestra la salida de la Vref barrida para el circuito de la figura 10 con la segunda entrada Vin2 constante; y

La figura 12 son unos diagramas de circuito de a) una puerta AND y b) una puerta OR.

Descripcion detallada

En las discusiones siguientes, un ISFET puede verse como un FET acoplado de manera capacitiva a una senal qmmica. La parte de transistor puede tratarse como un FGMOS normal. El sistema comprende un electrodo de referencia, un electrolito, una membrana de detection y el metal por debajo forman de manera colectiva una entidad que puede llamarse un condensador sensible a iones (ISCAP).

Con este punto de vista, un ISFET tradicional es basicamente un ISCAP a modo de la unica entrada a un FGMOS. Sin embargo, en general, uno o mas ISCAP son posibles entradas a una red de puertas flotantes de un numero n de transistores FGMOS. Un numero de otras entradas acopladas de manera capacitiva son tambien posibles, como se muestra por Vin1 y Vin2 en la figura 5.

La tension de puerta de flotation puede expresarse como una suma ponderada de las tensiones que estan acopladas de manera capacitiva a la misma. Es decir:

y _ (Vre/tchem.i)^sl _|_ (Vref 2^^chem.z)^s2 _j_ *-l _j_ Vl7i2^subl Cq 1 ^sub2^q2

Ctot

Ctot

Ccot

Ctot

Ctot

Ctot

(6)

Cg1 y Cg2 son las capacidades de oxido de puerta de los dos transistores en la figura. Pueden ser una buena aproximacion de las capacitancias de los transistores si estan en inversion y se forma un canal. Por simplicidad, se supone que son constantes y los tamanos de puerta son lo suficientemente grandes como para reemplazar las capacidades parasitas.

Ya que puede acoplarse un numero de entradas de manera capacitiva a la puerta de flotacion y su potencial se define por la suma ponderada de las tensiones de las puertas de entrada (13). Por lo tanto, el ISFET de la figura 5 es un FG-MOS con una sola entrada que es la superposition de Vref y Vchem que estan acopladas de manera capacitiva por la capa sensible a iones de pasivacion. Su tension (Vfg) de puerta de flotacion viene dada por:

1/ _ C^re/ + Vch.em) * Cpass + ^CD^CD + ^GS^GS + ^GB^GB (7)

Vf9 ~ ~77“

ctot

En la que, Cpass es la capacitancia de pasivacion, Ctot es la capacitancia total vista por la puerta de flotacion (15). Y Vdg, Vgs, Vgb, Cgd, Cgs, Cgb son el drenaje de puerta del transistor, el origen de puerta, y las tensiones de masa de puerta y las capacidades de manera consecutiva. El factor Cpass/Ctot reduce el efecto de Vchem y por lo tanto la sensibilidad del pH. Sin embargo, puede hacerse proxima a la unidad maximizando la relation (Cpass/Ctot) es decir, disenando la puerta qmmica mucho mas grande que la puerta electrica. Esta es una de las razones de la sensibilidad sub-Nernstiana conocida de los ISFET construidos con los procedimientos de CMOS convencionales.

Un inversor FG convencional se compone de transistores NMOS y PMOS de puerta de flotacion en un amplificador inversor de clase AB convencional como se muestra de manera esquematica en la figura 6-A. La unica entrada de este inversor se acopla de manera capacitiva a las dos puertas de flotacion.

De acuerdo con la invention, una pluralidad de ISFET comparten la misma membrana de deteccion de iones y la puerta de flotacion. En una realization preferida, un inversor, dos ISFET, un NMOS y un PMOS, estan dispuestos como se muestra en la figura 6-B. La figura 6-C, es un esquema de circuito equivalente para un inversor de este tipo.

Este circuito puede usarse para realizar operaciones de monitorizacion de la reaction y umbralizacion del pH para una camara de reaccion. Puede usarse para procesar senales desde una serie de ISFET expuestos a una serie de camaras de reaccion. Cada camara se coloca en la parte superior de un inversor de par ISFET ya sea con una Vref global o local. Cada pixel de la serie proporciona una salida digital que puede engancharse o procesarse digitalmente en el mismo CI sin la necesidad de una conversion de analogico a digital. Esto facilita la construction de aplicaciones de laboratorio en microprocesador basadas en ISFET completamente digitales.

Para mejorar la sensibilidad al pH, puede usarse un amplificador para amplificar Vchem, que es efectivamente la diferencia entre la puerta de flotacion y el electrodo de referencia sumergido en el electrolito bajo ensayo. El circuito de la figura 7 es una posible realizacion. La tension [V3 = 2 Ai A2 Vchem] es una version amplificada de la tension a traves del ISCAP que refleja el pH del electrolito. Su salida se alimenta a un circuito disparador Schmitt. La salida (Vsaiida) es una senal digital que conmuta el estado cuando el pH de la solution sufre un cambio mayor que un valor umbral.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Resultados:

En el ISFET de la figura 6-B, la entrada se suministra a la puerta de flotacion de un amplificador de transistor unico. En funcion de la region de funcionamiento, se sigue una de las relaciones Id-Vgs de la ecuacion (1). Normalmente o Id o Vds se hace constante mientras que la otra representa la salida.

Para el inversor de la figura 6-C, con el fin de encontrar la tension umbral de conmutacion, su circuito se divide en dos partes: la parte de entrada que se usa para encontrar Vfg que es la entrada a la segunda parte: el inversor convencional. Para conservar la carga Vfg viene dada por:

Ctot

(Ychem ^ref)

'VCnMOS+VCpMOS

Ctot

(8)

en la que

(VCxmos = VgdxCgdx + VgsxCgsx + VgbxCgbx) y (x) es (n) para n-MOS y (p) para p-MOS.

Para el inversor convencional, la tension (Vsth) de umbral de conmutacion es el punto en el que la tension (Vfg) de puerta de flotacion de entrada es igual a la salida (Vo). Por lo tanto los dos transistores estan en saturacion como Vgs = Vds. Esto se descubre igualando las corrientes a traves de los dos transistores y resolviendo para este punto. Fue descubierto en (18) - pagina 186, siendo:

Ktn - ; en la que r = j=£ (9)

En la que, Vtn y Vtp son tensiones de umbral mientras que Kn y Kp son {movilidad (|i) x capacitancia de oxido de

puerta (Cox)} para NMOS y PMOS respectivamente. Esto es para una inversion fuerte y una baja Vdd de tal manera que los dos transistores no alcanzan la saturacion de velocidad (18). Por lo tanto, la conmutacion tiene lugar cuando Vfg = Vsth, lo que da:

lychem+v„,) = £*-vsth - (10)

t-pass '-pass

La conmutacion se dispara por la suma de Vchem y Vref. El primer termino esta en funcion del pH, como en la ecuacion (5). Incluye VQpass que se manifiesta asf mismo como un cambio en el punto de conmutacion. Vref se decide por el usuario y es analoga a la Ventrada del inversor FG, teniendo en cuenta la diferencia en la capacidad de acoplamiento. Vchem tiene el efecto de cambiar la tension umbral de conmutacion si Vref es la entrada. De la misma manera, si Vchem es la entrada Vref cambiara el punto de conmutacion.

Resultados

Una realizacion a modo de ejemplo del dispositivo se trata a continuacion incluyendo los resultados de su uso en una realizacion a modo de ejemplo del procedimiento.

Los transistores tienen una longitud de 0,35 |im, pero sus anchuras son de 4 |im y 12 |im para los dispositivos N y P, respectivamente. En la figura, la Vref se barre por el ISFET y el punto de conmutacion se encuentra para valores de pH de 4,0, 7,0 y 10,0. Los puntos de conmutacion son 1,49 V, 1,63 V y 1,76 V respectivamente. Esto proporciona una sensibilidad de 44,52 mV/pH. Se usa una Vdd de 2,2 V.

La salida se amortigua por dos inversores MOS que aumentan en tamano con el fin de proporcionar la corriente suficiente para accionar la carga introducida por el adaptador de conexion y la PCB de ensayo. La zona sensible qmmica es de 35 x 200 |im2. Un solo electrodo de referencia de vidrio de union Ag/AgCl se sumerge en el electrolito bajo ensayo con el fin de aplicar la Vref. Se elige debido a su tension de union estable. Se ensayan tres soluciones de amortiguacion de pH diferentes (4,0, 7,0 y 10,0).

La tension de referencia se barre para cada caso con el fin de encontrar el valor que provoque el cambio para los diferentes valores de pH. La sensibilidad, medida como el cambio de tension de conmutacion, se descubre que es de 28,33 mV/pH.

El funcionamiento de conmutacion puede accionarse solamente por el cambio de pH. La Vref puede fijarse cerca del punto de conmutacion del pH actual. Esta es la condicion inicial de la logica “1”. Si el pH de la solucion se cambia valorando 0,1 M de HCl para bajar el pH a 6,5 ± 0,1. Esto da un “0” logico. A continuacion, 0,1 M de NaOH puede valorarse con el fin de llevar el pH de nuevo a 7,0 ± 0,1. Puede proporcionarse una segunda entrada a la puerta de flotacion del ISFET, como se muestra en la figura 9. Esta disposicion proporciona el inversor con dos entradas: la entrada sensible a iones acoplada a traves de la capacitancia de pasivacion y la segunda entrada (Vin2) acoplada a traves de la capacitancia (C2). La tension de puerta de flotacion resultante es la suma ponderada de estas dos entradas.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Al hacer la segunda capacitancia (C2) de la entrada muy pequena comparada con la capacitancia (Cpass) de pasivacion, es posible usar esta entrada (vW) como la entrada de inversor electrica mientras que la senal qmmica se usa como una puerta de control. Por lo tanto, el punto de conmutacion denominado* Vin2 se vuelve muy sensible a los cambios de pH. De hecho, es una version a escala de la sensibilidad al pH denominada Vref. El factor de escala es la relacion Cpass/C2. La eleccion de esta relacion esta en funcion de la aplicacion y es preferentemente mayor que 10, mas preferentemente mayor que 50, 100, 500 o 1000.

Ya que un numero de nodos estan acoplados de manera capacitiva a la puerta de flotation, su potencial se define por la suma ponderada de las entradas. La tension (Vfg) de puerta de flotacion viene dada por:

imagen2

en la que:

y

imagen3

(V CpMOS — ^Dp^GDp + ^SpCGSp + ^Bp^GBp ).

En este caso, VCnMOS es la contribution del nMOS a la tension de puerta de flotacion. Es decir, su tension de drenaje (VDn) multiplicada por su capacitancia de drenaje de puerta (CGDn), su tension de origen (Vsn) multiplicada por su capacitancia de origen de puerta (CGSn), y su tension de cuerpo (vBn) multiplicada por la capacitancia de cuerpo de puerta (CGBn). Todas las tensiones se refieren a tierra. El sufijo (n) significa nMOS. VCpMos es la contribucion del pMOS a la tension de puerta de flotacion. Se calcula de una manera similar. Cpass es la capacitancia de pasivacion, Vchem es la tension qmmica en funcion del pH dada por la ecuacion 11. Vref es la tension de electrodo de referencia, y Ctot es la capacitancia total vista por la puerta de flotacion. Incluye todas las demas capacidades parasitas no tratadas por separado en el presente documento.

Es habitual suponer que la puerta de flotacion no tenga cargas y por lo tanto tener una tension inicial de cero. Sin embargo, esto puede no ser el caso en la vida real, en la que ellas mismas se manifiestan como un cambio en la tension inicial de la puerta de flotacion.

A partir de la ecuacion 11, el factor Cpass/Ctot reduce el efecto de Vchem y por lo tanto la sensibilidad del pH. Sin embargo, puede hacerse cercano a la unidad maximizando la relacion (Cpass/Ctot). Es decir, disenando la capacitancia de pasivacion mucho mas grande que la suma de todas las otras capacidades en el circuito. Esta es una de las razones de la sensibilidad sub-Nernstiana de los ISFET construidos con los procedimientos de CMOS convencionales. El segundo termino de la ecuacion (11) es la segunda entrada reducida por C2/Cpass. El redproco de esta relacion es la amplification de la sensibilidad al pH denominada Vin2. Por lo tanto, su eleccion deberia tener en cuenta los requisitos de aplicacion y en el mismo momento minimizar C2 para permitir mas espacio para la sensibilidad qmmica.

Un inversor funcionando en una inversion debil tiene su tension (Vsth) de umbral de conmutacion cuando los dos transistores tienen la misma corriente:

imagen4

Vtn y Vtp son las tensiones de umbral, mientras que Isn e Isp son las corrientes de origen de los transistores NMOS y PMOS, respectivamente. Vdd es la tension de alimentation.

Esta tension umbral de conmutacion de la ecuacion (3) esta en funcion solo de los parametros de MOS. La conmutacion se produce cuando VFG cambia cruzando Vsth yendo mas alta o mas baja que la misma.

Ya que la tension de puerta de flotacion es una funcion de sus voltajes acoplados como en la ecuacion (1), estas entradas afectan a su punto de conmutacion. Por lo tanto, definir su sensibilidad al pH no es tan sencillo como en el caso de un unico ISFET. Puede definirse como el cambio inducido por el pH en Vfg. Pero, esto es dificil de medir ya que no hay acceso directo a la misma. Pero es posible hacer referencia a una de sus entradas, concretamente: Vref o Vin2. Por lo tanto, la sensibilidad al pH se manifiesta como el cambio en la tension de conmutacion, debido al cambio de pH, como se ve barriendo una cualquiera de las mismas mientras se mantiene la otra constante.

La sensibilidad de la puerta de flotacion de este inversor para el pH hace referencia a Vref mientras Vin2 es constante, se descubre por:

5

10

15

20

25

30

35

Vfa sensibilidad para el pH

^=£E2££2,3at/rV/pH

dpH Ctdt .

imagen5

Por lo tanto, a pesar del hecho de que el efecto de Vref en Vfg se reduce por la relacion CPass/Ct0t, la sensibilidad al pH cuando se hace referencia a Vref no es como la propia Vohem que se reduce en la misma proporcion. El escalado cancela la salida.

Sin embargo, si Vin2 se usa para cambiar Vfg mientras que la Vref esta fija, entonces:

Vf, sensibilidad para

y. , = —f$ — S*.

in2 dVirt2 Ctot

(16)

sensibilidad para el ph, hace referencia a

Vln3 = %££. x ^21 = fe. = &£l2,3at/TV/pH

171 dpH dVfg dpH C2 1 r

(17)

Por lo tanto, si Vin2 se usa como la entrada en la que Vref es constante y la puerta qmmica desempena el papel de una puerta de control que cambia el punto de conmutacion, entonces la sensibilidad al pH del circuito con referencia a Vin2 se amplfa mediante Cpass/C2.

Esto es posible, por diseno, para hacer Cpass = AC2. A continuacion, la sensibilidad al pH se amplfa por la relacion A sin la necesidad de cualquier tipo de amplificador. Por lo tanto, usando Vin2 como la entrada electrica del inversor, el peso de acoplamiento se usa para mejorar la sensibilidad al pH.

El experto en la materia escogera esta relacion de amplificacion de acuerdo con su aplicacion de tal manera que cuando Vin2 se barre a traves de su intervalo completo, corresponded a valores de pH observables. Por ejemplo, si el cambio de pH esperado se extiende dos unidades de pH, por ejemplo desde el pH 6 al pH 8; y Vin2 se permite que se extienda entre los valores de 0 a 1V y la sensibilidad de pH esperada haciendo referencia a Vref es 30 mV/pH, entonces un valor de Cpass/C2 = A = 1 V/30 mV/2 = 16. Vref debena elegirse de tal manera que establezca la salida del circuito con la logica inicial deseada y con el inversor en el lfmite de conmutacion. Esto permitira que los cambios de pH sean facilmente detectables por Vin2.

Por ejemplo, en una realizacion a modo de ejemplo, la tension umbral del dispositivo N-MOS es 0,59 V y la tension umbral del dispositivo PMOS es -0,72 V. Por lo tanto, usar una Vdd de 0,5 V garantiza un funcionamiento sub-umbral limitando la tension maxima que un transistor ve menor que su voltaje de umbral.

A continuacion, puede barrerse Vref para encontrar un valor que provoque la conmutacion (Vref, sth). El pH del electrolito se escalona desde el pH 4,0 al pH 7,0 al pH 10,0. Vin2 se establece en cero voltios.

La salida se muestra en la figura. La sensibilidad simulada es por lo tanto:

—1ref^h = 33.9 mVIpH. tpH

Cpass = 420 fF y C2 = 3 fF lo que da un factor de escala de Cpass/C2 = 140. Por lo tanto, la sensibilidad al pH con respecto a Vin2 es {(Cpass/C2) x 0,0339} = 4,7 V/pH. Vref se mantiene constante en el lfmite de conmutacion, mientras que Vin2 se barre para encontrar el punto de conmutacion (Vin2, sth) para valores de pH.

Mientras que la disposicion del inversor puede usarse para detectar un cambio de pH de 0,1, la senal Vin2 adicional acoplada a la puerta de flotacion por un factor de escalacion arbitrariamente grande puede detectar incluso un cambio mas pequeno, por ejemplo de 0,001.

La sensibilidad alta no se obtiene mejorando la sensibilidad ffsica del ISFET. En su lugar, la sensibilidad al pH puede hacerse de este modo muy alta mediante la explotacion de la naturaleza de la puerta de flotacion del ISFET construido con un procedimiento CMOS sin modificar. Mientras que pueden obtenerse resultados similares usando un amplificador, esto viene con costes adicionales de zona, potencia y ruido. La ventaja en este caso es la alta ganancia sin estos problemas asociados.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Este circuito puede servir como un bloque de construccion basico para una serie de conmutadores de pH, formando pfxeles. Ellos son capaces de proporcionar la salida digital a partir de las entradas qmmicas o biologicas. Con retroalimentacion al electrodo de referencia, es posible cambiar la tension de umbral de conmutacion para reflejar la region de interes de pH necesaria.

Preferentemente, la capa de deteccion se expone a una camara que tenga una concentracion de un ion objetivo. La concentracion de iones puede ser constante de tal manera que las senales de salida del conmutador ISFET seran constantes. La concentracion de iones puede variar en el tiempo o como el resultado de una reaccion qmmica de tal manera que las senales de salida del conmutador ISFET detectaran un cambio en la concentracion de iones.

Preferentemente, la reaccion qmmica es la incorporacion de un nucleotido en un acido nucleico de tal manera que se liberan protones. El acido nucleico puede ser desconocido y los reactivos de nucleotidos conocidos de tal manera que la salida del circuito indica un cambio (de la falta del mismo) en el pH que se observa debido a los reactivos de nucleotidos que son complementarios (o no) con el acido nucleico desconocido.

En algunas realizaciones, hay una pluralidad de camaras, cada una de las cuales esta expuesta a los dispositivos de la invencion para detectar una concentracion de un ion objetivo, o detectar un cambio en una concentracion de un ion objetivo. Las salidas de los dispositivos pueden conectarse para realizar operaciones logicas tales como AND, NAND, OR, NOR, XOR, XNOR y sus combinaciones. Los expertos en la materia apreciaran como esto puede realizarse. Un circuito a modo de ejemplo se muestra en la figura 12.

Aunque la invencion se ha descrito en terminos de las realizaciones preferidas como se ha expuesto anteriormente, debena entenderse que estas realizaciones son solamente ilustrativas y que las reivindicaciones no se limitan a esas realizaciones. Los expertos en la materia seran capaces de realizar modificaciones y alternativas a la vista de la divulgacion que se contemplan como que caen dentro del ambito de las reivindicaciones adjuntas.

Referencias:

1- P. Bergveld, “Thirty years of ISFETOLOGY What happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years”, Sensores y actuadores, volumen 88, paginas 1-20, 2003.

2- Leila Shepherd, Pantelis Georgiou, and Chris Toumazou, “A novel voltage clamped CMOS ISFET sensor interface”, Simposio internacional del IEEE sobre circmtos y sistemas ISCAS, paginas 3331-3334, 2007.

3- Christofer Toumazou, Bhusana Premanode, Leila Shepherd; Patente de Estados Unidos US 2010/0159461 A1, “Ion Sensitive Field Effect Transistors”, fecha de publicacion: 24 de Junio de 2010.

4- Tadayuki Matsuo and Masayoshi Esashi, “Methods of ISFET Fabrication”, Sensores y actuadores, volumen 1, paginas 77-96, 1981.

5- J. Bausells, J. Carrabina, A. Errachid, A. Merlos, “Ion-sensitive field-effect transistors fabricated in a commercial CMOS technology”, Sensores y actuadores B 57, paginas 56-62, 1999.

6- P.A. Hammond, D. Ali, D.R.S. Cumming, “A Single-Chip pH Sensor Fabricated by a Conventional CMOS Process”, Actas de sensores del IEEE, volumen 1, paginas 350-355, 2002.

7- Winston Wong, Leila Shepherd, Pantelis Georgiou and Chris Toumazou, “Towards ISFET based DNA Logic for Rapid nucleic acid detection”, Conferencia de sensores del IEEE paginas 1451 -1454, 2009.

8- Tadashi Shabata, and Tadahiro Ohmi, “A Functional MOS Transistor Featuring Gate-Level Weighted Sum and Threshold Operations”, Dispositivos de transacciones del IEEE, volumen 39, N° 6, paginas 1444 - 1455, 1992.

9- P. Georgiou and C. Toumazou, “CMOS Based Programmable ISFET”, Cartas de electronica, volumen 44 N° 22, 2008, paginas 1289 - 1290.

10- W. Wong Jr, P. Georgiou, C. -P. Ou, and C. Toumazou, “PG-ISFET based DNA-logic for reaction monitoring”, Cartas de electronica, volumen 46, N° 5, 2010, paginas 330 - 332.

11- Prakash, S.B.; Abshire, P.; “A CMOS capacitance sensor that monitors cell viability”, Conferencia de sensores del IEEE 2005, paginas 1177 - 1180.

12- Shibata, T.; Kosaka, H.; Ishii, H.; Ohmi, T.; “A neuron-MOS neural network using self-learning-compatible synapse circuits”, Diario de circuitos de estado solido del IEEE, volumen: 30, edicion 8, paginas 913 - 922, 1995.

13- Jayant, K.; Porri, T.; Erickson, J.W.; Kan, E.C.; “Label-free electronic detection of growth factor induced cellular chatter on chemoreceptive neuron MOS (CvMOS) transistors”, Conferencia international sobre sensores de estado solido, actuadores and microsistemas, paginas 1814-1817, 2009.

10

15

20

14- Themistoklis Prodromakis, Yan Liu, Timothy Constandinou, Pantelis Georgiou, Chris Toumazou, “Exploiting CMOS Technology to Enhance the Performance of ISFET Sensors”, Cartas de dispositivo electronico del IEEE, volumen 31, N° 9, paginas 1053-1055, 2010.

15- Sunil Purushothaman, Chris Toumazou, and Chung-Pei Ou, “Proton and Single nucleotide polymorphism detection: A simple use for the Ion Sensitive Field Effect Transistor”, Sensores y actuadores, B 114, paginas 964 - 968, 2006.

16- Qintao Zhang, Vivek Subramanian, “DNA hybridisation detection with organic thin film transistors: Toward Fast Disposable DNA microarray chip”, Biosensores and bioelectronica, volumen 22, paginas 3182 - 3187, 2007.

17- S. Purushothaman, C. Toumazou, and J. Georgiou, “Towards Fast Solid State DNA Sequencing”, Simposio internacional del IEEE sobre circuftos y sistemas, paginas IV-169 - IV-172, 2002.

18- P. Georgiou and C. Toumazou,”CMOS Programmable Gate ISFET”, Cartas electronicas, volumen 44, paginas 1289-1290, 2008.

19- Liu Yan, Pantelis Georgiou, Timothy G. Constandinou, David Garner and Chris Toumazou, “An Auto-Offset- Removal circuit for chemical sensing based on the PG-ISFET”, Simposio internacional del IEEE sobre circuftos y sistemas, ISCAS 2009, paginas 1165-1168.

20- Austriamicrosystems, “0.35 mm CMOS C35 Process Parameters”, numero de documento: ENG-182, revision#: 6.0, 12.12.2008.

21- Mark J. Milgrew; and David R. S. Cumming, “Matching the Transconductance Characteristics of CMOS ISFETArrays by Removing Trapped Charge”, Transaccion del IEEE de dispositivos electronicos, volumen 55, N° 4, paginas 1074-1079, 2008.

22- Jan, M. Rabaey, Anantha Chandrakasan, and Borivoje Nikolic, “Digital Integrated Circuits”, Prentice Hall, segunda edicion, 2003.*

Claims (14)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   REIVINDICACIONES

   1. Un dispositivo semiconductor para detectar una concentracion de iones de una muestra, comprendiendo el dispositivo:

   una pluralidad de transistores de efecto de campo (FET) acoplados a una puerta de flotacion comun; y una capa de deteccion de iones expuesta a la muestra y acoplada a la puerta de flotacion; caracterizado porque, en uso, se enciende o se apaga una corriente a traves de los transistores en funcion de la magnitud de la concentracion de iones en la muestra en la proximidad de la capa de deteccion en comparacion con un umbral de conmutacion.
2. 2. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 1 y que comprende ademas un electrodo de referencia expuesto a la muestra, en el que una tension de entrada acoplada al electrodo de referencia esta dispuesta para establecer el umbral de conmutacion de la pluralidad de FET.
3. 3. Un dispositivo de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que la pluralidad de FET comprende un FET de tipo P y un FET de tipo N dispuestos en una configuracion de comparador.
4. 4. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la pluralidad de FET comprende un FET de tipo P y un FET de tipo N dispuestos en una configuracion de inversor.
5. 5. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la pluralidad de FET comprende un FET de tipo P y un FET de tipo N que estan dispuestos en una configuracion de inversor que tiene una senal de salida que es una salida de logica uno o de logica cero de acuerdo con una concentracion de iones de la muestra.
6. 6. Un dispositivo de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que los FET estan polarizados en una inversion debil.
7. 7. Un dispositivo de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que los FET estan polarizados de tal manera para conmutar entre la saturacion y el corte.
8. 8. Un dispositivo de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, que comprende ademas una o mas primeras senales de entrada electricas acopladas a la puerta de flotacion para eliminar o anadir una carga a la puerta de flotacion para establecer un umbral de conmutacion para la pluralidad de transistores.
9. 9. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 8, en el que la una o mas primeras senales de entrada electricas estan dispuestas para acoplarse a la puerta de flotacion para establecer el umbral de conmutacion y desacoplarse cuando no se establece el umbral de conmutacion.
10. 10. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 8 o 9, en el que dicha una o mas primeras senales de entrada electricas comprenden una senal conectada a una tension positiva y una senal conectada a una tension negativa.
11. 11. Un dispositivo de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, que comprende ademas una segunda senal de entrada electrica acoplada a la puerta de flotacion, en el que la segunda senal de entrada electrica esta dispuesta para cambiar en magnitud con el fin de conmutar la pluralidad de transistores de efecto de campo.
12. 12. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que la capa de deteccion de iones esta acoplada a la puerta de flotacion por una primera capacitancia y en el que la segunda senal de entrada electrica esta acoplada a la puerta de flotacion por una segunda capacitancia.
13. 13. Un circuito para detectar una pluralidad de reacciones qmmicas y evaluar una funcion logica que tiene el resultado de cada una de la pluralidad de reacciones qmmicas como sus entradas, comprendiendo el circuito al menos una camara de reaccion para cada una de la pluralidad de reacciones qmmicas, reacciones qmmicas que cambian una concentracion de iones en la camara de reaccion;

    en el que cada camara de reaccion esta provista de un dispositivo de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, proporcionando cada dispositivo una senal de salida digital cuyo estado esta en funcion de la concentracion de iones de una muestra en esa camara, y en la que las salidas se acoplan entre sf para formar un circuito de procesamiento de senales digitales para evaluar una funcion logica.
14. 14. Un procedimiento para proporcionar una salida que representa una concentracion de un ion objetivo en una muestra, comprendiendo el procedimiento:

    proporcionar un conmutador CMOS que comprende una pluralidad de transistores de efecto de campo (FET) acoplados a una puerta de flotacion comun y una capa de deteccion de iones expuesta a la muestra y acoplada a la puerta de flotacion;

    exponer la capa sensible a iones a la muestra para conmutar un estado del conmutador CMOS a encendido o apagado; y

    emitir una senal desde el conmutador CMOS.