MX2015004671A - Sensor de fluido de amplio intervalo dinamico basado en una plataforma de nanoalambres. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo (100) para la detección de una sustancia en una muestra de fluido, el dispositivo comprende: un sustrato (102); una capa aislante (104) dispuesta sobre el sustrato (102); una pluralidad de nanoalambres semiconductores eléctricamente accesibles individualmente (106, 108, 110) dispuestos sobre la capa aislante (104) , cada uno de la pluralidad de nanoalambres está cubierta por un material aislante (202, 204, 206) y dispuestos para detectar la sustancia a través de una característica eléctrica del nanoalambre; y un compartimiento de muestra (118) para proporcionar la muestra de fluido en contacto con cada uno de la pluralidad de nanoalambres; en donde para cada uno de la pluralidad de nanoalambres (106, 108, 110), por lo menos uno de la dimensión transversal, el espesor del aislante y el tipo del material aislante se selecciona de tal manera que cada uno de los nanoalambres tiene un intervalo de detección diferente, y de tal manera que el intervalo dinámico del dispositivo es mayor que el intervalo dinámico de cada uno de los nanoalambres individuales.

Description

SENSOR DE FLUIDO DE AMPLIO INTERVALO DINÁMICO BASADO EN UNA PLATAFORMA DE NANOALAMBRES Campo de la Invención La presente invención se relaciona con un dispositivo para detectar una concentración de una sustancia en un fluido. En particular, la presente invención se relaciona con un dispositivo basado en nanoalambres.

Antecedentes de la Invención Los sensores para la detección de sustancias biológicas basados en transistores de efecto de campo a escala nanométrica, tales como por ejemplo FETs de nanoalambres de silicio y nanotubos de carbono con superficies apropiadamente fuñeionalizadas, tienen enorme potencial para una detección muy sensible de concentraciones minúsculas (hasta la escala femtomolar) de biomoléculas tales como proteínas y ADN. Además, cuando se aplican capas de interfase apropiadas mediante la funcionalización de la superficie en contacto con la sustancia activa, estos dispositivos son potencialmente interesantes también para detectar gases.

En todas las aplicaciones en donde se usa el transistor de efecto de campo de escala nanométrica existe un fuerte deseo por detectar múltiples moléculas objetivo simultáneamente. En un ambiente líquido o gaseoso, el uso de un transistor de referencia es de importancia crucial o Ref.254408 crítica con el objeto de compensar el desplazamiento relacionado con el tiempo.

Para muchas aplicaciones de sensores de gas, tales como el manejo de calidad de aire en interiores (IAQ, por sus siglas en inglés), HVAC, asma, diagnosis cardiovascular, y control de gases de invernadero, se requiere una alta sensibilidad combinada con un amplio intervalo dinámico. La espectrometría de masas es el método estándar para la detección de gases. Esta téenica es sensible, selectiva y tiene un amplio intervalo dinámico, pero también es costoso y considerable. Alternativamente, la detección óptica, más específicamente la espectroscopia de absorción en el infrarrojo (IR), se utiliza como detector de gases. Esta técnica es sensible y selectiva, pero un módulo solo puede detectar un tipo de molécula y el equipo de medición es costoso y considerable. La detección electromecánica también puede usarse pero no proporciona la sensibilidad o selectividad apropiada.

US2010/0243990 describe un dispositivo de sensor basado en nanoalambres para detectar biomoléculas. Los dispositivos están basados en un transistor de efecto de campo de nanoalambres de silicio, en donde el nanoalambre puede estar adulterado con impurezas de tipo n o tipo p. La superficie del nanoalambre está funcionalizada por moléculas que específicamente se acoplan a sus contrapartes objetivo. Las cargas en las moléculas objetivo afectan la conductividad del canal de nanoalambre como un electrodo de compuerta.

Breve Descripción de la Invención Los inventores han reconocido que para una aplicación práctica de dispositivos de detección se requiere un alto intervalo dinámico, a menudo combinado con un límite de detección bajo. Un problema del detector conocido es que un sensor de alta sensibilidad está acompañado por un bajo intervalo dinámico.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un sensor basado en nanoalambres capaz de proporcionar un intervalo dinámico mejorado, preferentemente combinado con una alta sensibilidad.

El objeto se logra con la invención como está definido por las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes proporcionan modalidades ventajosas.

De conformidad con la invención se proporciona un dispositivo para detectar una concentración de una sustancia en una muestra de fluido.

Un fluido puede referirse tanto a un gas como a un líquido, y el dispositivo es por lo tanto adecuado para la detección de sustancias tanto en líquidos como en gases. Las sustancias pueden estar disueltas o suspendidas en la muestra. Las sustancias pueden comprender iones, moléculas, complejos moleculares, partículas. En particular pueden ser sustancias que pueden estar presentes en el fluido en bajas o altas concentraciones no conocidas de antemano. Las sustancias pueden ser tóxicas para la vida requiriendo una determinación la de concentración adecuada y también una determinación continua que evite el procesamiento extensivo (dilución) antes de la detección.

Que los nanoalambres sean electrónicamente accesibles significa que es posible formar un contacto eléctrico con cada extremo de cada nanoalambre con el objeto de realizar una caracterización eléctrica de los nanoalambres respectivos con respecto a las características de los nanoalambres sensibles para la presencia de la sustancia cuando el fluido con la sustancia es colocado en la vecindad del nanoalambre. Los nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres son individualmente accesibles. Para este fin, preferentemente los nanoalambres se conectan eléctricamente en paralelo entre múltiples puntos de contacto eléctrico. Por lo tanto, mientras un extremo de cada nanoalambre puede estar conectado eléctricamente con un mismo punto de conexión, debe hacerse contacto con cada uno de los demás extremos individualmente, la accesibilidad secuencial del nanoalambre puede lograrse usando estructuras de compuerta individuales de los nanoalambres si son parte de uno o más transistores. Alternativamente, cada nanoalambre es accesible eléctricamente de manera individual de tal manera que sus extremos forman puntos de contacto separados para cada nanoalambre, ya sea que esté o no en un transistor.

Cuando una partícula o molécula de una sustancia que va a detectarse se ubica en la vecindad de, o incluso se une al nanoalambre, la característica eléctrica mensurable del nanoalambre es influenciada de acuerdo con la cantidad de la sustancia y por la medición de la característica puede deducirse entonces la cantidad de la sustancia. La cantidad puede ser una cantidad absoluta o cantidades de concentraciones como en una cantidad de sustancia por volumen de muestra, masa de muestra o moles de muestra.

La pluralidad de nanoalambres comprende por lo menos dos nanoalambres. La cantidad de nanoalambres puede ser igual que y/o mayor que 3, 4, 5, 10, 20 e incluso 50. Pueden fabricarse convenientemente en el mismo proceso de formación de patrones del dispositivo. Cada nanoalambre puede duplicarse con el fin de permitir una medición confiable. El material aislante puede ser un material eléctricamente aislante. El material evita en primer lugar el corto circuito de los nanoalambres con el fluido de muestra. El material aislante es preferentemente un óxido tal como, por ejemplo, óxido de silicio (S1O2) u óxido de titanio (TÍO2) o mezclas de los mismos. El material aislante puede comprender una superficie que se expone al fluido de muestra.

El compartimiento de muestra está dispuesto de tal manera que la muestra se coloca en la vecindad de, o en contacto con cada nanoalambre incluyendo por lo menos el material aislante. Cada uno de los nanoalambres cubiertos por el respectivo material aislante está dispuesto por lo tanto para detectar la presencia de la sustancia en la muestra de fluido a través de la medición de una característica eléctrica del nanoalambre. Cualquier característica que es influenciada por la posible presencia de una sustancia en el compartimiento de muestra puede usarse para el propósito de detección. La característica eléctrica medida es preferentemente, por ejemplo, las características de la corriente versus el voltaje del nanoalambre. Preferentemente esa característica es de un nanoalambre que es parte de un transistor con una compuerta. Cuando se analizan características medidas, puede determinarse la cantidad (concentración) de una sustancia en la muestra. Si se necesitan pueden usarse curvas de calibración. Preferentemente hay nanoalambres de referencia que están en la vecindad de solo la muestra de fluido, sin la sustancia.

Los diferentes nanoalambres de una pluralidad de nanoalambres de un dispositivo están configurados de tal manera que el intervalo de detección de cada nanoalambre es diferente. El intervalo de detección es el intervalo entre la cantidad o concentración más pequeña y más grande detectable de una sustancia en la muestra de fluido. La cantidad más pequeña está definida por la cantidad de una sustancia que no proporciona un cambio en la característica eléctrica del nanoalambre, mientras que la cantidad más grande detectable es la cantidad por arriba de la cual no se observa ningún aumento adicional de la misma característica eléctrica, está relacionada con la señal de saturación. El intervalo de detección total del dispositivo de detección está dado por lo tanto por el ensamble de nanoalambres, es decir la suma del intervalo de detección de cada nanoalambre individual.

Consecuentemente, la presente invención se basa en el hecho de que un detector basado en nanoalambres con un alto intervalo dinámico puede lograrse mediante la disposición de un número de nanoalambres individualmente accesibles que tienen diferentes intervalos dinámicos en paralelo para medir una sustancia en un fluido. De esta manera, el dispositivo puede configurarse de tal manera que el intervalo dinámico total del dispositivo es mayor que el respectivo intervalo dinámico de los nanoalambres individuales. Preferentemente los nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres están configurados de tal manera que los diferentes intervalos de detección de cada uno de la pluralidad de nanoalambres forman conjuntamente un intervalo de detección sustancialmente continuo que es mayor que cada diferente intervalo de detección. Como ejemplo, si un primer nanoalambre puede medir una concentración de una sustancia entre 1 y 10, y un segundo nanoalambre puede medir una concentración entre 10 y 100, el intervalo dinámico de cada uno de los nanoalambres es 10, mientras que el intervalo dinámico de un dispositivo que comprende los dos nanoalambres combinados sería 100. El dispositivo de la invención es ventajoso porque ahora las muestras no requieren dilución antes de proporcionarlas a un sensor con el objeto de evitar la saturación. Adicionalmente, puede hacerse un dispositivo de detección en donde el intervalo de detección puede elegirse a través del número de nanoalambres y su configuración de intervalo dinámico. Además, la sensibilidad del dispositivo (relacionado con el límite de detección) puede establecerse independiente mediante la configuración del nanoalambre más sensible. El dispositivo puede diseñarse para ser capaz de detectar sustancias con una concentración de 100 ppm o más hasta 10 ppb. Por lo tanto puede obtenerse un dispositivo de detección con intervalo dinámico mejorado y sensibilidad de vanguardia.

Consecuentemente el dispositivo puede hacerse usando materiales semiconductores convencionales y es por lo tanto adecuado para la integración con circuitos basados en CMOS o con soluciones de laboratorio sobre un chip preexistentes utilizando téenicas de fabricación bien desarrolladas y que requierten una mínima adaptación de procesos de fabricación existentes. El dispositivo también puede combinarse ventajosamente con otros tipos de sensores tales como sensores de temperatura, sensores de conductividad, etc. Adicionalmente, al seleccionar diferentes materiales aislantes para diferentes nanoalambres, pueden detectarse diferentes sustancias simultáneamente por medio de un dispositivo. Una ventaja adicional de la presente invención es que la compatibilidad con métodos de procesamiento establecidos significa que los dispositivos de sensor pueden fabricarse a un costo relativamente bajo.

El grado de influencia que la sustancia tendrá en la característica del nanoalambre depende de la composición así como de los parámetros estructurales del nanoalambre y de capas adicionales. Cada nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres puede comprender un área superficial y un volumen de nanoalambre, en donde la relación del área superficial y el volumen es diferente para los diferentes nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres. Cuanto mayor sea la relación, más sensible es el nanoalambre a la presencia de substancias en su vecindad y viceversa. El cambio del intervalo de detección, es decir, no necesariamente un aumento o disminución del intervalo de detección sino simplemente un intervalo diferente, va acompañado de un cambio en la relación. El nanoalambre puede tener una superficie de detección expuesta en su lado en donde se extiende el compartimiento de muestra. La superficie de detección puede disponerse para detectar la presencia de la sustancia.

Para variar la relación entre los diferentes nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres, puede usarse la longitud, la anchura o la altura (espesor) del nanoalambre. Preferentemente después la longitud o la anchura varían mientras que el espesor (perpendicular a la extensión de la capa de sustrato) se mantiene constante. Si la pluralidad de nanoalambres se dispone en un sustrato plano, entonces la pluralidad de diferentes dimensiones de los nanoalambres puede definirse en un mismo paso de formación de patrones (marcas) ahorrando costos adicionales. También, en muchos sustratos regulares la capa en donde están hechos los nanoalambres es una capa depositada de espesor uniforme de semiconductor tal como silicio. Por lo tanto pueden usarse sustratos estándares y no se necesitan pasos de grabado por ataque químico para variar el espesor de la capa reduciendo la complejidad del proceso y ahorrando costos. Se prefiere que la anchura del nanoalambre varíe mientras la longitud se mantiene constante para la pluralidad de nanoalambres. La anchura de los nanoalambres está preferentemente en el intervalo de 8 nm a 1 micrómetro. El intervalo inferior está en la práctica limitado a las dimensiones de características más pequeñas en las que puede formarse un patrón utilizando téenicas de litografía o impresión. Un intervalo preferido es 50 nm a 500 nm. Un intervalo más preferido es 10 nm a 500 nm.

Dentro de estos intervalos pueden haber nanoalambres con anchuras de 10, 15, 20, 25, 30, 50, 100, 200300, y 400 nm o cualquier combinación. Esto proporciona nanoalambres que debido a su longitud proporcionan resistencias que pueden usarse en estructuras de IC regulares (nótese que la sección transversal del nanoalambre determina su resistencia). Las longitudes de los nanoalambres pueden estar entre 1 a 10 micrómetros. Pueden ser menores que 2 micrómetros, menores que 1 micrómetro o menores que 500 nm.

Alternativamente o adicionalmente, a la variación dimensional entre los nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres, el espesor del material aislante y la elección del material aislante que cubre al nanoalambre puede cambiarse para implementar variaciones del intervalo de detección. La influencia de la sustancia a las características del nanoalambre puede ser a través de un acoplamiento capacitivo. Por lo tanto, un aumento del espesor del aislante proporciona menor acoplamiento y menos sensibilidad y viceversa. También, una variación del material a una constante dieléctrica mayor proporcionará un mayor acoplamiento y mayor sensibilidad y viceversa. De nuevo el ajuste de estos parámetros está acompañado de un intervalo de detección diferente. Como la constante dieléctrica está determinada mayormente por el material aislante el cual es generalmente compatible con los materiales del sustrato y el procesamiento, el espesor de la capa es el parámetro preferido a variar a través de los nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres. El espesor está preferentemente entre 1 nm y 10 nm para proporcionar buena sensibilidad. Si se necesita mayor sensibilidad, el espesor está en el intervalo de 1 a 4 nm, más preferentemente es de 3 nm. Si se necesita mayor confiabilidad con respecto al aislamiento eléctrico de la capa de material aislante, el espesor está preferentemente en el intervalo de 6 a 10 nm, más preferentemente es de 7 nm. Un espesor de 5 nm proporciona un buen equilibrio entre sensibilidad y confiabilidad.

Como ejemplo, un nanoalambre con un área de sección transversal más pequeña y una capa aislante más delgada estará más influenciado por una molécula de una sustancia que un alambre con mayor área y una capa aislante más gruesa. La influencia puede ser a través de cambios capacitivos o inductivos del nanoalambre entre la situación con la sustancia o sin la sustancia.

El dispositivo de la invención puede ser un dispositivo detector de pH. Para este propósito la capa aislante sobre el nanoalambre puede ser óxido de silicio. La superficie del óxido de silicio tiene generalmente grupos SiOH de los cuales H+ (sustancia) es reversiblemente intercambiable con el fluido de muestra (comprendiendo o consistiendo preferentemente de agua para una buena definición de pH). Por lo tanto la carga de una capa superficial del óxido de silicio (Si-0) depende del pH del fluido, es decir, alto pH, ligadura de H+ reducida y carga superficial de 0~ grande y pH bajo, todos los grupos convertidos a SiOH y sin carga sobre la superficie. La carga determina, entre otros, la conductividad del nanoalambre y que puede usarse como una característica del nanoalambre para la medición.

El dispositivo puede comprender además una capa de funcionalización dispuesta sobre el nanoalambre o sobre el material aislante de por lo menos uno de los nanoalambres. La adición de capas de funcionalización específicas sobre uno o más de los nanoalambres es posible para ajustar el dispositivo para que detecte una sustancia particular o grupo de sustancias. Puede usarse una simple reacción química (covalente) de la sustancia con la capa de funcionalización. Alternativamente puede usarse el reconocimiento molecular a través de toda clase de reacciones no covalentes, efectos de adherencia.

Adicionalmente, al agregar diferentes cargas de funcionalización a diferentes nanoalambres, también es posible detectar varias sustancias diferentes o grupos de sustancias simultáneamente. El dispositivo puede usarse para huellas digitales.

Por ejemplo, una capa de T1O2 puede disponerse como la capa aislante o preferentemente sobre la capa aislante del nanoalambre para que actúe como una capa de funcionalización. Como se sabe que el T1O2 reacciona con CO2 y lo descompone, puede formarse un sensor de C02. Pueden usarse otras capas de funcionalización. Una capa de NiOx puede reducirse/oxidarse en presencia de formaldehído y puede usarse para construir un nanoalambre que responde al formaldehído. Aquellos con experiencia en la téenica sabrán qué capas necesitan usarse para reconocer sustancias específicas o grupos de sustancias específicas. Un ejemplo puede proporcionar capas para la detección de marcadores sanguíneos tales como aquellos para la detección de una enfermedad cardiaca. En otro ejemplo la capa está configurada para detectar carbohidratos u otras moléculas orgánicas como contaminación, por ejemplo, en fluido acuoso.

De conformidad con una modalidad de la invención, por lo menos dos de los nanoalambre pueden tener diferentes concentraciones de adulteración. La variación de la adulteración del nanoalambre es una medida adicional de influir en las características eléctricas del nanoalambre con el objeto de ajustar las propiedades del sensor para varias aplicaciones. Por ejemplo, pueden usarse diferentes adulteraciones para realizar diferentes voltajes de umbral de los nanoalambres. Esto puede proporcionar diferente sensibilidad a los nanoalambres.

El compartimiento de muestra puede estar configurado para permitir que un fluido fluya sobre la pluralidad de nanoalambres. De esta manera, puede detectarse una concentración de un fluido que fluye el cual por ejemplo facilita la integración del dispositivo en dispositivos de laboratorio sobre un chip existentes. Adicionalmente, los compartimientos de muestra pueden disponerse como una abertura en una capa protectora de tal manera que las estructuras de contacto para contactar eléctricamente los nanoalambres estén protegidas, evitando así un corto circuito entre las estructuras de contacto en caso de un fluido de muestra conductora.

La parte del sustrato (tal como por ejemplo, la parte posterior del sustrato) puede usarse como una terminal de compuerta de un transistor del cual es parte por lo menos uno de los nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres. El dispositivo forma entonces un dispositivo tridimensional con la parte posterior como terminal de compuerta y las estructuras de contacto como fuente y terminales de drenado. El uso de la parte posterior como una terminal de compuesta puede emplearse para mejorar la respuesta de la corriente para un voltaje aplicado, o puede usarse como un conmutador para controlar si puede fluir alguna corriente a través del nanoalambre. De esta manera, las características eléctricas del nanoalambre pueden controlarse por medio de la terminal de compuerta. El sustrato puede tener un patrón para proporcionar estructuras de compuerta individuales a cada nanoalambre si fuese necesario.

El dispositivo puede comprender un segundo compartimiento de muestra que permite la detección simultánea de más de una sustancia. Un segundo compartimiento de muestra puede usarse para proporcionar diferentes fluidos en contacto con matrices de nanoalambres con el objeto de realizar múltiples análisis simultáneamente. Adicionalmente, el uso de dos o más compartimientos de muestra puede facilitar además tener nanoalambres con diferentes características en diferentes compartimientos de muestra. En particular, diferentes configuraciones de alambres que debido a la complejidad del proceso de fabricación en un compartimiento de muestra pueden ser difíciles de combinar en un compartimiento de muestra pueden lograrse más fácilmente usando múltiples compartimientos de muestra.

El dispositivo puede comprender circuitos eléctricos conectados a cada uno de los nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres para la lectura de los nanoalambres. El dispositivo puede ser un dispositivo de medición listo para usarse para análisis de muestras.

El circuito eléctrico está configurado preferentemente para: determinar una característica eléctrica de cada nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres; determinar, para cada nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres, si las características eléctricas indican que el nanoalambre está saturado; identificar un subconjunto de nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres para lo cual no están saturados los nanoalambres; del subconjunto de nanoalambres, identificar el nanoalambre que tiene la sensibilidad más alta; y con base en las características eléctricas determinadas del nanoalambre que tiene la sensibilidad más alta, determinar la cantidad de la sustancia en el fluido.

El dispositivo puede comprender uno o más nanoalambres de referencia (cada uno definido de conformidad con la invención) que están cubiertos por un compartimiento de muestra de referencia en lugar del compartimiento de muestra. Esto puede integrarse con facilidad. Los nanoalambres pueden usarse para determinar el efecto de la muestra sin la sustancia y dar cuenta de la señal de fondo durante la detección de la muestra.

De conformidad con la invención se proporciona también un método para determinar una concentración de una sustancia en un fluido de muestra utilizando un dispositivo que comprende una pluralidad de nanoalambres individualmente accesibles.

La medición de la cantidad o concentración de una sustancia en un fluido utilizando un dispositivo basado en nanoalambres de alto intervalo dinámico como se describió arriba puede lograrse mediante la detección de los nanoalambres que no están saturados y seleccionando la lectura del más sensible de los nanoalambres no saturados. La cantidad y/o concentración resultante puede desde luego derivarse de una combinación de nanoalambres no saturados medidos, ya sea promediando los resultados de los alambres no saturados o mediante algoritmos de determinación más complejos. Adicionalmente, puede asumirse que el dispositivo está calibrado o que de otra manera se conoce cómo responden los diferentes nanoalambres a diferentes concentraciones de una sustancia particular, haciendo posible de esta manera determinar si un nanoalambre particular está o no saturado.

De conformidad con una modalidad de la invención, la característica eléctrica determinada de los nanoalambres puede ser ventajosamente la corriente como función de un voltaje aplicado.

En una modalidad de la invención, el dispositivo puede restablecerse ventajosamente aplicando un voltaje de compuerta de tal manera que son removidas las moléculas que se adhieren a los nanoalambres . Es bastante ventajoso poder restablecer el dispositivo con el objeto de evitar la necesidad de conocer el historial del dispositivo, y también con el objeto de reutilizar un dispositivo una vez que se ha saturado. Consecuentemente, el dispositivo puede restablecerse aplicando un voltaje a la parte posterior del sustrato que funciona como una terminal de compuerta. El voltaje de compuerta aplicado es de polaridad opuesta al voltaje de compuerta de operación de tal manera que la repulsión electrostática ocasiona que se liberarán las moléculas están adheridas a los nanoalambres , limpiando y restableciendo de esta manera el dispositivo.

De conformidad con una modalidad de la invención, el dispositivo puede restablecerse ventajosamente calentando el dispositivo de tal manera que las moléculas que se adhieren a los nanoalambres son removidas. Al aplicar un voltaje suficientemente alto sobre los nanoalambres, de tal manera que la temperatura en los nanoalambres aumenta a través del calentamiento resistivo, las moléculas que se adhieren al nanoalambre son liberadas por desorción térmica y de esta manera se restablece el dispositivo.

Efectos y características adicionales de este segundo aspecto de la presente invención son bastante análogos a los descritos arriba en relación con el primer aspecto de la invención.

Se aprecia que la invención se relaciona con todas las combinaciones posibles de características citadas en las reivindicaciones.

Breve Descripción de las Figuras Estos y otros aspectos de la presente invención se describirán ahora más detalladamente con referencia a las figuras adjuntas que muestran una modalidad de ejemplo de la invención, en donde: La figura 1 ilustra esquemáticamente un dispositivo de conformidad con una modalidad de la invención; y la figura 2 ilustra esquemáticamente nanoalambres de conformidad con varias modalidades de la invención; las figuras 3a-3h destacan esquemáticamente un método para la manufactura de un dispositivo de conformidad con una modalidad de la invención; y la figura 4 es un diagrama de flujo que destaca los pasos generales del método de manufactura ilustrado en las figuras 3a-3h.

Descripción Detallada de la Invención En la presente descripción detallada, se discuten principalmente varias modalidades de un dispositivo de conformidad con la presente invención con referencia a un dispositivo que comprende nanoalambres de silicio basados en un sustrato de SOI (silicio sobre aislante). Debe apreciarse que esto de ninguna manera limita el alcance de la presente invención el cual es igualmente aplicable a dispositivos que comprenden nanoalambres basados en otros materiales semiconductores que también pueden formarse sobre otros tipos de sustratos.

La figura 1 ilustra esquemáticamente un dispositivo 100 de conformidad con una modalidad de la invención. Debe apreciarse que el dispositivo de la figura 1 no está mostrado a escala y que el propósito de la figura es simplemente ilustrar los conceptos generales de la invención.

El dispositivo 100 comprende un sustrato 102, una capa aislante 104 dispuesta sobre el sustrato 102, los nanoalambres 106, 108, 110 dispuestos en paralelo están formados en la capa de silicio superior de un sustrato de SOI. Se ilustran adicionalmente estructuras de contacto conductoras 112, 114 las cuales conducen a almohadillas de contacto (no se muestran) para hacer contacto eléctrico con el extremo respectivo de cada uno de los nanoalambres. Las estructuras de contacto 112, 114 pueden verse como la fuente y el drenado en un dispositivo de tres terminales en donde el lado posterior del sustrato 102 se usa como un terminal de compuerta. En este caso todos los contactos pueden hacer contacto individualmente proporcionando nanoalambres individualmente accesibles. Sin embargo cualquiera de los contactos 112 ó 114 pueden conectarse entre sí sin perder la posibilidad de ser accedidos individualmente. Una capa protectora (capa eléctricamente aislante) 116 está dispuesta para cubrir las estructuras de contacto 112, 114 para evitar el corto circuito eléctrico en caso de un fluido conductor.

Una apertura 118 en la capa de cubierta forma un compartimiento de muestra 118 en donde un fluido de muestra puede ponerse en contacto con los nanoalambres 106, 108, 110.

La figura 2 ilustra esquemáticamente una vista en sección transversal de los nanoalambres 106, 108, 110. Cada nanoalambre tiene un espesor (vertical en el plano de la figura) y una anchura (horizontal en el plano de la figura). Las dimensiones de los nanoalambres típicamente van desde unos pocos nanómetros hasta cientos de nanómetros. Los nanoalambres a su vez están cubiertos por un material aislante 202, 204, 206. El material aislante puede ser típicamente un óxido tal como SÍO2 (crecido térmicamente), Ti02 o AI2O3. También pueden usarse varios óxidos de tierras raras tales como ZrC>2, HfC>2 o similares. Aquí se ilustra que los alambres en el mismos dispositivo 100 pueden tener diferentes geometrías como se muestra por medio de diferentes anchuras de nanoalambres 106 y 108, y que los nanoalambres que tienen la misma geometría pueden tener diferentes espesores de la capa aislante como se ilustra por medio de los nanoalambres 108 y 110 y las capas aislantes correspondientes 204 y 206. De esta manera, pueden formarse nanoalambres que tienen diferentes características eléctricas. Un dispositivo puede comprender típicamente un gran número de nanoalambres en cada compartimiento de muestra, tal como por ejemplo 2 a 50 nanoalambres o más.

Preferentemente hay de 20 a 50 nanoalambres.

Pueden disponerse diferentes capas de funcionalización sobre los nanoalambres o la capa aislante de los diferentes nanoalambres. Las capas de funcionalización puede ser por ejemplo capas químicas tales como APTES o capas basadas en metal y óxidos tales como TÍO2, Zr02 o Hf02. De esta manera, al aplicar capas de funcionalización diferente para separar nanoalambres, puede hacerse una matriz de sensores que es sensible a diferentes sustancias de tal manera que puede determinarse una clase de huella digital del fluido de la muestra bajo análisis. Las diferentes capas de funcionalización pueden tener diferentes constantes dieléctricas para proporcionar un diferente acoplamiento capacitivo a los alambras para implementar las diferencias de intervalo, las contantes dieléctricas de materiales diferentes están ampliamente tabuladas en textos estándares tal como el Manual de Química y Física y no se mencionarán aquí.

Los nanoalambres pueden ser parte de un colector de tipos diferentes de dispositivos eléctricos en el dispositivo. Los dispositivos eléctricos incluyen dispositivos con compuerta tales como: dispositivos basados en efectos de campo que tienen una compuerta (MOSFET, EGFET) o sin una compuerta (CHEMFET, ISFET, ImmunoFET, HEMFET, ESFET O ENFET).

El dispositivo puede ser parte de o puede ser un dispositivo eléctrico para monitorear la pureza de un gas o fluido. Éste puede ser un dispositivo de monitoreo de contaminación del aire. La sustancia a ser detectada puede ser formaldehído porque es muy tóxico para los humanos. Alternativamente el dispositivo puede ser un sistema de monitoreo de calidad del agua. Tales dispositivos pueden tener filtros de partículas, o filtros de carbón activado para remover sustancias secundarias que ocasionan perturbaciones de la muestra de fluido antes de determinar la cantidad de la sustancia.

La figura 3 destaca esquemáticamente un método para la manufactura de un dispositivo de conformidad con varias modalidades de la invención. La figura 3 se discutirá con referencia al diagrama de flujo de la figura 4 que destaca los pasos de procesamiento generales.

En un primer paso 402, se proporciona un sustrato de SOI que comprende una capa de soporte de silicio 102, una capa de óxido enterrado (BOX, por sus siglas en inglés) 104 y una capa superior de silicio 302.

En el siguiente paso 404, se forma una máscara y los nanoalambres de silicio y las estructuras de contacto correspondientes 304 son grabadas por ataque químico en las capas superiores de silicio 302. Una máscara de nanoalambres puede formarse por ejemplo a través de fotolitografía, litografía por haces de electrones o impresión. El grabado por ataque químico va seguido del paso 406 que comprende la deposición de una capa de aislante 306. La deposición de una capa de aislante puede hacerse por ejemplo, preferentemente si el grabado en bajo relieve por ataque químico ocurre de tal manera que las partes de la capa de BOX 104 adyacentes a o bajo los nanoalambres se dañan durante el grabado por ataque químico de los nanoalambres. De esta manera, puede repararse cualquier daño resultante el grabado en bajo relieve por ataque químico mediante la deposición de la capa de aislante 306.

En los pasos 408 y 410, se deposita una capa protectora de nitruro de silicio (SiN) 308 seguida por la deposición y formación de patrones de una máscara protectora 310 que expone los nanoalambres. A continuación, la capa de SiN 308 y de aislante 306 se remueve en el sitio de las aberturas en la máscara 310 en las regiones en donde se localizan los nanoalambres con el objeto de exponer los nanoalambres.

En el paso 414, la máscara protectora 310 es removida y en el paso final 416, crece un óxido térmico 310 sobre los nanoalambres para formar una capa aislante sobre el nanoalambre. El espesor y las propiedades del óxido térmico crecido puede controlarse mediante el control de parámetros de proceso tales como tiempo, temperatura y presión.

Los pasos 410 a 416 pueden repetirse para el mismo dispositivo de tal manera que diferentes nanoalambres o subconjuntos de nanoalambres se exponen mediante diferentes máscaras protectoras, que a su vez hacen posible la formación de nanoalambres que tienen capas de óxido de crecido 312 de diferentes espesores o diferentes propiedades. El crecimiento de un óxido térmico también hace posible controlar la geometría del nanoalambre controlando el tiempo de crecimiento. Como una alternativa a la oxidación térmica, puede depositarse un óxido en el paso 416, aumentando con ello la flexibilidad en la elección del material aislante. La deposición puede realizarse por ejemplo por CVD, ALD, bombardeo iónico u otros métodos de deposición conocidos. De esta manera, al proteger diferentes alambres por medio de diferentes máscaras, pueden formarse nanoalambres que tienen diferentes materiales aislantes y diferente espesor de la capa aislante. Adicionalmente, también pueden realizarse varias funcionalizaciones de los nanoalambres en el paso 416 por deposición de capas de funcionalización de tal manera que puede formarse un dispositivo capaz de detectar un amplio intervalo de sustancias Los nanoalambres con diferente longitud y/o anchura pueden hacerse ventajosamente en un conjunto de pasos porque éstos están determinados por dimensiones de máscaras y no requieren la exposición repetida de diferentes conjuntos de nanoalambres para deposiciones, etc. En una modalidad de ejemplo, pueden formarse nanoalambres que tienen diferentes anchuras en el paso 404. De esta manera, después de llevar a cabo los pasos restantes como se describió arriba, se proporcionan nanoalambres de diferente anchura pero con el mismo material aislante y espesor de aislante.

También se forman contactos eléctricos con las estructuras de contacto y se forma un contacto óhmico sobre el lado posterior del sustrato para formar un contacto de compuerta de lado posterior. Adicionalmente, como resultado del proceso de manufactura compatible con CMOS, puede realizarse fácilmente un transistor de referencia sobre el mismo chip como un complemento al dispositivo de medición para permitir mediciones diferenciales de tal manera que por ejemplo puedan determinarse los cambios de temperatura y otras variaciones ambientales.

Adicionalmente, utilizando el dispositivo basado en nanoalambres de conformidad con varias modalidades de la invención, se proporciona un método para determinar una concentración de una sustancia en un fluido utilizando el dispositivo. A continuación, se discutirá una modalidad de ejemplo con referencia a mediciones de corriente vs. voltaje realizadas por una disposición de medición que comprende el dispositivo. En primer lugar, la característica de corriente vs. voltaje para cada uno de los nanoalambres en un dispositivo se determina para un voltaje de compuerta constante. Enseguida, se determina cuál de los nanoalambres, si lo hubiere, está saturado. La saturación de corriente en un nanoalambre puede por ejemplo ocurrir si el canal conductor está saturado, es decir, si el canal conductor está completamente cerrado o completamente abierto. La saturación también puede ocurrir como resultado de una saturación superficial, es decir, si toda la superficie del nanoalambre está cubierta por una sustancia. La saturación de corriente puede determinarse por ejemplo comparando la característica de medición resultante con un valor de referencia previamente establecido.

Del subconjunto de nanoalambres no saturados, se selecciona el nanoalambre que tiene la sensibilidad más alta. El nanoalambre que tiene la sensibilidad más alta es el nanoalambre capaz de detectar el menor cambio en la concentración de la sustancia particular. Se asume que la sensibilidad de cada uno de los nanoalambres es conocida desde la manufactura y/o de calibraciones anteriores de dispositivos que tienen la misma disposición.

Al identificar el nanoalambre más sensible no saturado, puede proporcionarse un resultado que indica la concentración de una sustancia con la sensibilidad más alta posible para el dispositivo dado.

Si se utiliza un dispositivo capaz de detectar diferentes sustancias, el método antes mencionado se realiza para cada subconjunto de nanoalambres adaptados para detectar una sustancia respectiva.

Una aplicación de ejemplo para el dispositivo es como un sensor de CO2 reversible. Un sensor de C02 puede formarse recubriendo los nanoalambres con una capa delgada (de aproximadamente 1 nm) de T1O2. Como el CO2 tiene un momento dipolar de cero, éste no inducirá un campo eléctrico en el canal si se une a una capa aislante que comprende por ejemplo S1O2. Por lo tanto, puede usarse TÍO2 el cual se sabe que descompone el CO2 a CO y O2, el cual es polar y de esta manera induce un campo en el canal conductor del dispositivo.

Sin embargo, óxidos tales como T1O2, Zr02 y Hf02 tienden a ser hidrófilos, absorbiendo por lo tanto moléculas de agua sobre la superficie lo cual puede afectar la absorción de C02, y subsiguientemente afectar la medición eléctrica. Por lo tanto, con el objeto de aumentar la selectividad y reducir la interferencia del agua absorbida, una capa hidrófoba que es permeable a CO2 pero no a moléculas de agua puede depositarse sobre la capa aislante. La capa hidrófoba puede ser por ejemplo un polímero tal como paríleño.

Como alternativa al análisis de corriente vs. voltaje, puede analizarse el comportamiento de corrientes transitorias del dispositivo aplicando un voltaje constante a la fuente, terminales de drenado y compuerta y observar la dependencia en el tiempo de la corriente medida. De esta manera, puede determinarse la concentración de una o más sustancias en un fluido bajo análisis.

Adicionalmente, también puede incorporarse una compuerta de referencia fluida para desviar el fluido de muestra si se requiere para una aplicación particular.

La persona con experiencia en la téenica advierte que la presente invención de ninguna manera está limitada a las modalidades preferidas descritas anteriormente. Por el contrario, son posibles muchas modificaciones y variaciones dentro del alcance de las reivindicaciones anexas . Por ejemplo, son completamente posibles variaciones en el método de manufactura y en la elección de materiales mientras se apeguen aún al concepto general de la invención.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (19)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Un dispositivo para la detección cuantitativa de una sustancia en una muestra de fluido, que comprende: un sustrato; una capa eléctricamente aislante dispuesta sobre el sustrato; una pluralidad de nanoalambres individualmente accesibles dispuestos sobre la capa eléctricamente aislante, cada nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres está cubierto por un material aislante, la pluralidad de nanoalambres está dispuesta para detectar la presencia de la sustancia en la muestra de fluido a través de la medición de una característica eléctrica de un nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres, cada uno de los nanoalambres tiene una longitud, una anchura y un espesor; un compartimiento de muestra para incluir la muestra de fluido, en donde el compartimiento de muestra está dispuesto de tal manera que cubre por lo menos parte de cada nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres, caracterizado porque la longitud, la anchura y el espesor de los nanoalambres correspondientes están dimensionados para formar diferentes intervalos de detección para la sustancia.

2. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque una combinación de los diferentes intervalos de detección forma un intervalo de detección sustancialmente continuo que es mayor que cada intervalo de detección diferente.

3. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque cada nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres comprende un área superficial y un volumen de nanoalambre, en donde la relación del área superficial y el volumen es diferente para los diferentes nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres.

4. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el espesor de los nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres es sustancialmente el mismo y uno o más de la anchura y longitud de cada uno de los nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres es diferente.

5. El dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material aislante es el mismo para cada uno de los nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres y en donde el material aislante comprende un espesor que es diferente para cada nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres.

6. El dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque por lo menos un nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres comprende por lo menos una capa de funcionalización que es para la interacción con una sustancia.

7. El dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada uno de por lo menos dos nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres comprende una capa de funcionalización que es para interacción con una sustancia, en donde por lo menos dos capas de funcionalización son diferentes una de la otra.

8. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque por lo menos una capa de funcionalización comprende o consiste de Ti02.

9. El dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el compartimiento de muestra está configurado para permitir que fluya un fluido sobre la pluralidad de nanoalambres.

10. El dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque por lo menos dos de los nanoalambres tienen una sensibilidad diferente.

11. El dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque por lo menos dos nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres tienen diferente adulteración y/o diferentes concentraciones de adulteración.

12. El dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque por lo menos un nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres forma un canal de un transistor y una parte del sustrato se usa como terminal de compuerta del transistor.

13. El dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un compartimiento de muestra adicional.

14. El dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende circuitos eléctricos conectados a cada uno de los nanoalambres de la pluralidad de nanoalambres para la lectura de los nanoalambres.

15. El uso de un dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, para la detección cuantitativa de una sustancia en una muestra de fluido.

16. Un método para la determinación cuantitativa de una sustancia en un fluido de muestra utilizando un dispositivo que comprende una pluralidad de nanoalambres eléctricamente accesibles individualmente, cada uno de los nanoalambres tiene un intervalo de detección diferente, caracterizado porque comprende: determinar una característica eléctrica de cada nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres; determinar, para cada nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres, si la característica eléctrica indica que el nanoalambre está saturado; identificar un subconjunto de nanoalambres en la pluralidad de nanoalambres y para la cual no están saturados los nanoalambres; del subconjunto de nanoalambres, identificar el nanoalambre que tiene la sensibilidad más alta; y con base en las características eléctricas determinadas del nanoalambre que tiene la sensibilidad más alta, determinar la cantidad de la sustancia en el fluido.

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque la característica eléctrica determinada de los nanoalambres es la corriente como función de un voltaje aplicado.

18. El método de conformidad con la reivindicación 16 ó 17, en donde la pluralidad de nanoalambres forma los canales de un transistor en donde el transistor comprende una compuerta, caracterizado porque comprende además el paso de restablecer el dispositivo aplicando un voltaje de compuerta a la compuerta de tal manera que una sustancia que se adhiere a un nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres es removida por lo menos parcialmente del nanoalambre.

19. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, caracterizado porque adicionalmente comprende el paso de restablecer el dispositivo calentando el dispositivo de tal manera que una sustancia que se adhiere a un nanoalambre de la pluralidad de nanoalambres es removida por lo menos parcialmente del nanoalambre.