RU2097755C1 - Ion-selective field-effect transistor - Google Patents
Ion-selective field-effect transistor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2097755C1 RU2097755C1 RU95106578A RU95106578A RU2097755C1 RU 2097755 C1 RU2097755 C1 RU 2097755C1 RU 95106578 A RU95106578 A RU 95106578A RU 95106578 A RU95106578 A RU 95106578A RU 2097755 C1 RU2097755 C1 RU 2097755C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- selective
- gate
- intermediate layer
- effect transistor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковым датчикам для определения различных химических веществ в растворах потенциометрическими методами анализа и может быть использовано в медицине, биологии, сельском хозяйстве, а также в системах контроля окружающей среды. The invention relates to semiconductor sensors for determining various chemicals in solutions by potentiometric methods of analysis and can be used in medicine, biology, agriculture, as well as in environmental control systems.
Известен ионоселективный полевой транзистор (ИСПТ), включающий монокристаллическую подложку с расположенными на ней затвором, содержащим слой диоксида кремния, слоем силанизации, промежуточным слоем из поли-2-гидроксиэтилметакрилата (гидрогель) и ионочувствительной мембраной на основе поливинилхлорида [1]
Затвор полевого транзистора состоит из слоя диоксида кремния толщиной , полученного термическим окислением кремния при 1150oC в течение 10 мин. В качестве инкапсулирующего материала используют эпоксидную смолу "Hysol". Наличие промежуточного слоя из поли-2-гидроксиэтилметакрилата обеспечивает хорошую адгезию ионочувствительной гидрофобной мембраны к предварительно силанизированной поверхности затвора ПТ.Known ion-selective field effect transistor (ISPT), including a single crystal substrate with a gate located on it, containing a layer of silicon dioxide, a layer of silanization, an intermediate layer of poly-2-hydroxyethyl methacrylate (hydrogel) and an ion-sensitive membrane based on polyvinyl chloride [1]
The field effect transistor gate consists of a thick silicon dioxide layer obtained by thermal oxidation of silicon at 1150 o C for 10 minutes As the encapsulating material, Hysol epoxy is used. The presence of an intermediate layer of poly-2-hydroxyethyl methacrylate provides good adhesion of the ion-sensitive hydrophobic membrane to the pre-silanized surface of the PT gate.
Однако транзистор обладает рядом недостатков. However, the transistor has several disadvantages.
К недостаткам описанного ИСПТ следует отнести:
необходимость предварительной силанизации поверхности диоксида кремния затвора перед нанесением промежуточного слоя. Для этой цели поверхность ИСПТ выдерживается в растворе метакрилоксипропилтриметоксисилана в толуоле, содержащем определенное количество воды или диэтиламина, при 90oC в течение 45 мин 4 ч промывается, высушивается в атмосфере аргона;
продолжительность и трудоемкость процесса нанесения промежуточного слоя, включающего накапывание раствора 2-гидроксиэтилметакрилата и 2,2-диметокси-2-фенилацетофенона в тетрагидрофуране на поверхность, испарение растворителя при комнатной температуре (30 мин), фотополимеризацию в инертной атмосфере;
необходимость дополнительной обработки ИСПТ в 0,1 М растворе NaCl (pH 4) в течение нескольких (3 -6) ч перед нанесением ионочувствительной мембраны;
дополнительное время установления потенциала перед началом каждой серии измерений, которое составляет 12 15 ч и более, что делает описанный ИСПТ неудобным в работе.The disadvantages of the described ISPT include:
the need for preliminary silanization of the surface of the silicon dioxide gate before applying the intermediate layer. For this purpose, the surface of ISPT is maintained in a solution of methacryloxypropyltrimethoxysilane in toluene containing a certain amount of water or diethylamine, at 90 ° C. for 45 minutes 4 hours, washed, dried in argon atmosphere;
the duration and complexity of the process of applying an intermediate layer, including the accumulation of a solution of 2-hydroxyethyl methacrylate and 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone in tetrahydrofuran on the surface, evaporation of the solvent at room temperature (30 min), photopolymerization in an inert atmosphere;
the need for additional treatment of ISPT in a 0.1 M NaCl solution (pH 4) for several (3 -6) hours before applying the ion-sensitive membrane;
additional time to establish the potential before the start of each series of measurements, which is 12 15 hours or more, which makes the described ISPT inconvenient in operation.
Наиболее близким техническим решением является ионоселективный полевой транзистор, включающий монокристаллическую подложку с расположенными на ней затвором, содержащим последовательно нанесенные слои диоксида кремния и пентоксида тантала, и ионочувствительной мембраной, пластифицированной в поливинилхлоридной матрице (ПВХ) [2]
Ионоселективный полевой транзистор изготовляют на кремнии p-типа. Внешние диэлектрические слои наносились следующим образом: SiO2 термическим окислением кремния, Ta2O5 -термическим окислением тонкой пленки металлического тантала, напыленной поверх диоксида кремния.The closest technical solution is an ion-selective field-effect transistor, including a single-crystal substrate with a gate located on it, containing successively deposited layers of silicon dioxide and tantalum pentoxide, and an ion-sensitive membrane plasticized in a polyvinyl chloride matrix (PVC) [2]
The ion-selective field effect transistor is manufactured on p-type silicon. External dielectric layers were deposited as follows: SiO 2 by thermal oxidation of silicon, Ta 2 O 5 by thermal oxidation of a thin film of metallic tantalum sprayed on top of silicon dioxide.
Ионоселективная мембрана наносилась на область затвора загерметизированного эпоксидным компаундом ИСПТ в виде раствора исходных компонентов ПВХ, ДОФ и валиномицина в соотношении 1 3 0,01 в тетрагидрофуране (ТГФ). Испарение ТГФ при комнатной температуре приводило к формированию на поверхности диэлектрика эластичной, плотно прилегающей пленки толщиной 100-200 мкм. An ion-selective membrane was applied to the gate region sealed with an epoxy compound ISPT in the form of a solution of the starting components of PVC, DOP and valinomycin in a ratio of 1 3 0.01 in tetrahydrofuran (THF). The evaporation of THF at room temperature led to the formation on the surface of the dielectric of an elastic, tight-fitting film with a thickness of 100-200 microns.
Недостатками известного ионоселективного полевого транзистора являются малый срок службы, обусловленный прежде всего плохой адгезией мембраны к диэлектрическому покрытию зоны затвора, что является серьезной проблемой, препятствующей массовому производству ИСПТ с полимерными мембранами. The disadvantages of the known ion-selective field effect transistor are the short service life, due primarily to poor adhesion of the membrane to the dielectric coating of the gate zone, which is a serious problem that impedes the mass production of ISPTs with polymer membranes.
Задачей предлагаемого технического решения является создание ионоселективного полевого транзистора с улучшенными аналитическими характеристиками, т.е. с увеличенным временем жизни и практически с полным устранением воздействия изменения pH на его работу. The objective of the proposed technical solution is to create an ion-selective field effect transistor with improved analytical characteristics, i.e. with increased life time and almost complete elimination of the effects of pH changes on its work.
Поставленная задача достигается тем, что ионоселективный полевой транзистор, включающий монокристаллическую подложку с расположенными на ней затвором, содержащим последовательно нанесенные слои диоксида кремния и пентоксида тантала, и ионочувствительной мембраной, пластифицированной в поливинилхлоридной матрице, дополнительно содержит промежуточный слой полимерного соединения толщиной 1 3 мкм, выбранного из класса гребнеобразных полимеров на основе полиалкилметакрилатов или полиалкилакрилатов с длиной алкильной цепочки C10-C22, при этом промежуточный слой расположен между слоем пентоксида тантала затвора и ионоселективной мембраной.This object is achieved in that the ion-selective field effect transistor, including a single crystal substrate with a gate located on it, containing successively deposited layers of silicon dioxide and tantalum pentoxide, and an ion-sensitive membrane plasticized in a polyvinyl chloride matrix, additionally contains an intermediate layer of a polymer compound with a thickness of 1 3 μm, selected from the class of comb-like polymers based on polyalkyl methacrylates or polyalkyl acrylates with an alkyl chain length of C 10 -C 22 , p In this case, the intermediate layer is located between the gate tantalum pentoxide layer and the ion-selective membrane.
К гребнеобразным полимерам относятся полимеры следующей структуры
Гребнеобразные полимеры получают путем термосополимеризации исходного мономера с использованием в качестве инициатора перекиси бензоила.To comb polymers are polymers of the following structure
Comb polymers are obtained by thermopolymerization of the starting monomer using benzoyl peroxide as an initiator.
Гребнеобразные полимеры являются обычно моделями для изучения структуры мезофазных и жидкокристаллических полимеров, а в отдельных случаях находят себе применение в качестве загустителей масел и модификаторов при переработке полимеров. Comb-like polymers are usually models for studying the structure of mesophase and liquid crystalline polymers, and in some cases are used as thickeners for oils and modifiers in the processing of polymers.
Проведенные нами испытания гребнеобразных полимеров на основе полиалкилметакрилатов и полиалкилакрилатов с длиной алкильной цепочки C10-C22 показали способность боковых цепей в макромолекулах гребнеобразных полимеров к внутри- и межмолекулярному упорядочению, а также к кристаллизации независимо от строения основной полимерной цепи, что обеспечивает необходимую совокупность свойств, а именно: достаточную адгезионную прочность, определяемую прежде всего химическим строением основной цепи, и хорошие протектирующие свойства за счет упаковки гидрофобных боковых алкильных групп. Эта полимерная пленка отличается хорошими адгезионными свойствами. Использование ее в качестве адгезива при нанесении ионоселективных поливинилхлоридных мембран на поверхность пентоксида тантала затвора при изготовлении ИСПТ повышает продолжительность работы ИСПТ по крайней мере до двух месяцев. При этом отслаивание мембраны перестает быть фактором, ограничивающим время жизни ИСПТ. Улучшаются такие аналитические характеристики ИСПТ как чувствительность и время жизни.Our tests of comb-like polymers based on polyalkyl methacrylates and polyalkyl acrylates with an alkyl chain length of C 10 -C 22 showed the ability of side chains in macromolecules of comb-like polymers to intra- and intermolecular ordering, as well as crystallization regardless of the structure of the main polymer chain, which provides the necessary combination of properties namely, sufficient adhesive strength, determined primarily by the chemical structure of the main chain, and good protective properties due to hydrophobic side alkyl groups. This polymer film has good adhesion properties. Using it as an adhesive when applying ion-selective polyvinyl chloride membranes to the surface of the gate tantalum pentoxide in the manufacture of ISPT increases the duration of the ISPT by at least two months. At the same time, peeling of the membrane ceases to be a factor limiting the lifetime of ISPT. Such analytical characteristics of ISPT as sensitivity and lifetime are improved.
Указанная в формуле изобретения толщина 1 мкм промежуточного слоя достаточна для получения сплошного покрытия без разрывов и сквозных отверстий. В то же время толщина, равная 3 мкм, не превышает тех предельных значений, при которых наблюдается снижение чувствительности к изменению потенциала на поверхности мембраны и не может быть гарантирована стабильность в работе ИСПТ. Specified in the claims, a thickness of 1 μm of the intermediate layer is sufficient to obtain a continuous coating without tears and through holes. At the same time, a thickness of 3 μm does not exceed those limiting values at which a decrease in sensitivity to potential changes on the membrane surface is observed and stability in the operation of ISPT cannot be guaranteed.
На чертеже представлен общий вид ионоселективного полевого транзистора в разрезе. The drawing shows a General view of an ion-selective field effect transistor in section.
Ионоселективный полевой транзистор содержит: монокристаллическую подложку 1 из сапфира, эпитаксиальный слой 2 кремния n-типа, ориентированный в кристаллографической плоскости (100), области истока 3 и стока 4, затвор из последовательно нанесенных слоя 5 диоксида кремния и слоя 6 пентоксида тантала, токоотвод 7 из алюминия, ионочувствительную мембрану 8, промежуточный слой 9 полимерного соединения, расположенный между слоем 6 затвора и ионоселективной мембраной 8, инкапсулирующий материал 10. Транзистор помещают при измерении в исследуемый раствор 11 вместе с электродом сравнения 12. Электрод 12, токоотвод 7, подложка 1 соединены с измерительным прибором 13. The ion-selective field effect transistor contains: a single-crystal sapphire substrate 1, an n-type silicon epitaxial layer 2 oriented in the crystallographic plane (100), a source region 3 and a drain 4, a gate from sequentially deposited silicon dioxide layer 5 and tantalum pentoxide layer 6, a
Для создания ионочувствительного сенсора используют полевой транзистор на основе кремния на подложке 1 из сапфира. Транзистор содержит эпитаксиальный слой 2 кремния n-типа, ориентированный в кристаллографической плоскости (100); области истока 3 и стока 4 создают ионной имплантацией ионов фосфора с последующей разгонкой примеси отжигом при 850oC в атмосфере аргона. Покрытие затвора полевого транзистора состоит из слоя 5 диоксида кремния, полученного термическим окислением, и слоя 6 пентоксида тантала, нанесенного на диоксид кремния; оба слоя имеют толщину 0,1 мкм. Сопротивление канала исток-сток при нулевом заряде на затворе составляет около 700 Ом•В. В качестве инкапсулирующего материала 10 используют полиимид (толщина до 40 мкм).To create an ion-sensitive sensor, a silicon-based field effect transistor on a sapphire substrate 1 is used. The transistor contains an epitaxial layer 2 of n-type silicon, oriented in the crystallographic plane (100); source 3 and drain 4 are created by ion implantation of phosphorus ions, followed by distillation of the impurity by annealing at 850 o C in an argon atmosphere. The gate coating of the field effect transistor consists of a layer 5 of silicon dioxide obtained by thermal oxidation, and a layer 6 of tantalum pentoxide deposited on silicon dioxide; both layers have a thickness of 0.1 μm. The source-drain channel resistance at zero charge at the gate is about 700 Ohm • V. As the encapsulating material 10, polyimide (thickness up to 40 μm) is used.
Для приготовления ионоселективных мембран на основе поливинилхлорида в настоящее время используют общепринятую стандартную методику. В настоящее время есть все основания считать, что аналитические характеристики как ИСПТ, так и ионоселективных электродов (ИСЭ) определяются прежде всего ионоселективной мембраной. Таким образом, предложенный вариант защитной пленки может использоваться для приготовления ИСПТ на все те ионы, для которых известны соответствующие ИСЭ, таких только коммерчески доступных порядка тридцати. Авторами помимо нитратселективного ИСПТ, принятого в качестве примера, разработан кальциевый ИСПТ, а в настоящее время разрабатываются ИСПТ, чувствительные к ионам BF
Для приготовления ИСПТ с промежуточным слоем на поверхность пентоксида тантала наносят аликвоту бензольного раствора гребнеобразного полимера, обеспечивающую толщину покрытия 2 мкм и после испарения бензола дважды по 1 мкм 10% -ного раствора мембранного материала в тетрагидрофуране. Приготовленные таким образом транзисторы выдерживают в эксикаторе в течение 15 ч. To prepare ISPT with an intermediate layer, an aliquot of a comb-shaped polymer benzene solution is applied onto the surface of tantalum pentoxide, which provides a coating thickness of 2 μm and, after benzene evaporation, twice 1 μm of a 10% solution of membrane material in tetrahydrofuran. The transistors thus prepared are held in a desiccator for 15 hours.
Измерения с помощью заявленного ионоселективного полевого транзистора проводят следующим образом. Measurements using the claimed ion-selective field effect transistor is carried out as follows.
Перед измерениями ИСПТ выдерживают в 0,1 М растворе NaNO3 в течение 1 ч, контролируя изменение мембранного потенциала во времени. Измерение величин потенциала нитратселективного ПТ проводят на компьютеризованной установке при заданной силе тока в цепи исток-сток 100 мкА. Конструкция предусматривает специальную защиту от пробоя слоя диэлектрика на затворе при смене образцов. Для устранения влияния света и статического электричества на величину измеряемого потенциала электрохимическую ячейку помещают в темный заземленный металлический бокс. В качестве электрода сравнения используют хлорид-серебряный электрод. Продолжительность измерений определяют на основе формы регистрируемых кривых, обычно она составляет 5 мин. Анализ проводят на серии стандартных растворов последовательно с концентрациями 1•10-5 и 0,1 М NO
При использовании полимеров II m 15 III m 17 наблюдается существенное снижение pH-чувствительности поверхности оксида тантала для 0,4 и 0,8 мВ/pH соответственно. Будучи промежуточным слоем, полученная полимерная пленка не только устраняет практически полностью воздействие изменения pH на работу ИСПТ, но и улучшает адгезию ионоселективных поливинилхлоридных пластифицированных мембран к поверхности затвора.Before measurements, ISPT is kept in a 0.1 M NaNO 3 solution for 1 h, monitoring the change in membrane potential over time. The measurement of the potential of nitrate-selective PT is carried out on a computerized device at a given current strength in the source-drain circuit of 100 μA. The design provides special protection against breakdown of the dielectric layer on the gate when changing samples. To eliminate the influence of light and static electricity on the value of the measured potential, the electrochemical cell is placed in a dark grounded metal box. As the reference electrode, a silver chloride electrode is used. The duration of the measurements is determined on the basis of the shape of the recorded curves, usually it is 5 minutes The analysis is carried out on a series of standard solutions in series with concentrations of 1 • 10 -5 and 0.1 M NO
When using polymers II m 15 III m 17, a significant decrease in the pH sensitivity of the tantalum oxide surface is observed for 0.4 and 0.8 mV / pH, respectively. Being an intermediate layer, the obtained polymer film not only eliminates almost completely the effect of pH changes on the operation of ISPTs, but also improves the adhesion of ion-selective polyvinyl chloride plasticized membranes to the gate surface.
Изменение углового коэффициента градуировочного графика (S), нитратселективных транзисторов с промежуточным слоем гребнеобразного полимера с C18 во времени в зависимости от условий хранения представлено в таблице.The change in the angular coefficient of the calibration curve (S) of nitrate-selective transistors with an intermediate layer of comb-shaped polymer with C 18 in time depending on storage conditions is presented in the table.
Как видно из таблицы, наблюдается улучшение электродной функции нитратселективного ПТ при хранении на воздухе: угловой коэффициент линейного участка градуировочного графика увеличивается до 59 мВ/pNO3. Линейность градуировочных графиков сохраняется в интервале 10-4-0,1M NO
Кроме того, как видно из таблицы, при хранении в растворе 0,1 М NaNO3 в течение 2-х мес, чувствительность превышает 46 мВ/pNO3. В то же время при нанесении нитратселективной поливинилхлоридной мембраны непосредственно на поверхность затвора ПТ, чувствительность определения в начальный момент использования не превышает 40 мВ/pNO3, а время жизни такого ИСПТ из-за отслаивания мембраны составляет менее 5-и дн.As can be seen from the table, there is an improvement in the electrode function of the nitrate-selective PT when stored in air: the angular coefficient of the linear portion of the calibration graph increases to 59 mV / pNO 3 . The linearity of calibration graphs is maintained in the range of 10 -4 -0.1M NO
In addition, as can be seen from the table, when stored in a solution of 0.1 M NaNO 3 for 2 months, the sensitivity exceeds 46 mV / pNO 3 . At the same time, when applying a nitrate-selective polyvinyl chloride membrane directly to the surface of the PT gate, the detection sensitivity at the initial time of use does not exceed 40 mV / pNO 3 , and the lifetime of such ISPT due to peeling of the membrane is less than 5 days.
Таким образом, полученные результаты позволяют говорить о создании ИСПТ с продолжительным временем жизни при сохранении чувствительности. Thus, the obtained results allow us to talk about the creation of ISPT with a long lifetime while maintaining sensitivity.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95106578A RU2097755C1 (en) | 1995-04-25 | 1995-04-25 | Ion-selective field-effect transistor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95106578A RU2097755C1 (en) | 1995-04-25 | 1995-04-25 | Ion-selective field-effect transistor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2097755C1 true RU2097755C1 (en) | 1997-11-27 |
RU95106578A RU95106578A (en) | 1998-01-20 |
Family
ID=20167155
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU95106578A RU2097755C1 (en) | 1995-04-25 | 1995-04-25 | Ion-selective field-effect transistor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2097755C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2615795C2 (en) * | 2011-12-23 | 2017-04-11 | Санофи-Авентис Дойчланд Гмбх | Touch device for medicine packaging |
-
1995
- 1995-04-25 RU RU95106578A patent/RU2097755C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. J.A.J.Brunink et al. Chemically modified field-effect transistors; a sodium ion selective sensor based on calif[4]arene receptor molicules, J.Anal. Chim. Acta, 1991, v.254, p.75-80. 2. Братов А.В. и др. Ионоселективный полевой транзистор, чувствительный к ионам калия в растворе. Журнал прикладной химии. - 1990, т.63, N 10, с.2203 - 2206. 3. Платэ Н.А., Шибаев В.П. Гребнеобразные полимера и жидкие кристаллы. - М.: Химия, 1980, с.5 и 6. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2615795C2 (en) * | 2011-12-23 | 2017-04-11 | Санофи-Авентис Дойчланд Гмбх | Touch device for medicine packaging |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4739380A (en) | Integrated ambient sensing devices and methods of manufacture | |
US6416646B2 (en) | Method of making a material for establishing solid state contact for ion selective electrodes | |
US7727370B2 (en) | Reference pH sensor, preparation and application thereof | |
Poghossian et al. | Detecting both physical and (bio‐) chemical parameters by means of ISFET devices | |
US7981264B2 (en) | Drift calibration method and device for the potentiometric sensor | |
US20070000778A1 (en) | Multi-parameter sensor with readout circuit | |
US5911862A (en) | Material for establishing solid state contact for ion selective electrodes | |
EP0345347B1 (en) | Fet electrode | |
Zine et al. | Hydrogen-selective microelectrodes based on silicon needles | |
Tahara et al. | Electrochemical reference electrode for the ion-selective field effect transistor | |
US4716448A (en) | CHEMFET operation without a reference electrode | |
US20090266712A1 (en) | Calcium ion sensors and fabrication method thereof, and sensing systems comprising the same | |
RU2097755C1 (en) | Ion-selective field-effect transistor | |
Li et al. | Elimination of neutral species interference at the ion-sensitive membrane/semiconductor device interface | |
Chou et al. | pH and procaine sensing characteristics of extended-gate field-effect transistor based on indium tin oxide glass | |
Pui et al. | Micro-size potentiometric probes for gas and substrate sensing | |
Dror et al. | Potassium ion-selective electrodes based on valinomycin/PVC overlayered solid substrates | |
Oyama et al. | Ion-selective electrodes based on bilayer film coating | |
Joly et al. | All-solid-state multimodal probe based on ISFET electrochemical microsensors for in-situ soil nutrients monitoring in agriculture | |
EP0241991A2 (en) | Field effect transistor having a membrane overlying the gate insulator | |
JPH05188036A (en) | Capacitance-measuring chamical sensor device | |
JPH0469338B2 (en) | ||
Schöning et al. | Iodide ion-sensitive field-effect structures | |
Lemke et al. | Coated film electrodes | |
GB2162997A (en) | A fluoride ion sensitive field effect transistor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090426 |