ترانزستور تأثير المجال الحساس للأيونات - مبدأ عمل ISFET

جرب أداة القضاء على المشاكل





ال الترانزستورات تأثير المجال الحساسة أيون هي الأجهزة الجديدة المتكاملة في المختبر الكهروكيميائي الدقيق على أنظمة الرقائق. هذه هي النوع الشائع من الترانزستورات ذات التأثير الميداني الحساس كيميائيًا ، والهيكل هو نفسه العام معدن أكسيد أشباه الموصلات تأثير الحقل الترانزستور . تمثل المنطقة الحساسة بوابة ترانزستور وتتضمن وسائل التحويل من تركيز أيون إلى جهد. في حالة ISFET ، يتم استبدال أكسيد المعدن والبوابات المعدنية من MOSFET العام بمحلول بسيط مع الأقطاب المرجعية العميقة في المحاليل والطبقات العازلة للكشف عن المادة التحليلية المحددة. يتم تعريف طبيعة الطبقات العازلة على أنها وظيفة وحساسية مستشعر ISFET.

ما هو ISFET؟

اختصار ISFET هو Ion Sensitive Field Effect Transistor. إنه ترانزستور تأثير المجال ، تستخدم لقياس تركيز المحاليل الأيونية. يتم تغيير تركيز أيون مثل H + إلى درجة الحموضة ، وبالتالي يكون هناك تغيير في التيار من خلال الترانزستور. هنا القطب الكهربائي للبوابة هو المحلول والجهد بين سطح الأكسيد والركيزة يرجع إلى غمد الأيونات.




ISFET

ISFET

مبدأ عمل ISFET

مبدأ العمل لإلكترود الأس الهيدروجيني ISFET هو تغيير في ترانزستور تأثير المجال الطبيعي ويتم استخدامه فيه العديد من دوائر مكبر للصوت . في ISFET عادةً ما يتم استخدام المدخلات كبوابات معدنية ، يتم استبدالها بغشاء حساس للأيونات. ومن ثم ، فإن ISFET يجمع في جهاز واحد سطح الاستشعار ومضخم واحد يعطي ناتجًا عاليًا ومعاوقة منخفضة ويسمح باستخدام كبلات التوصيل دون الحاجة إلى حماية غير ضرورية. يوضح الرسم البياني التالي الرسم التوضيحي لإلكترود الأس الهيدروجيني ISFET.



مبدأ عمل ISFET

مبدأ عمل ISFET

توجد آلات مختلفة لقياس الأس الهيدروجيني من القطب الزجاجي التقليدي. يعتمد مبدأ القياس على التحكم في تدفق التيار بين أشباه الموصلات ، وهما الصرف والمصدر. يتم وضع هذين أشباه الموصلات معًا في قطب كهربائي ثالث ويتصرف مثل بوابة طرفية. يتم توصيل محطة البوابة مباشرة بالمحلول المراد قياسه.

بناء ISFET

بناء ISFET

خطوات تصنيع ISFET

  • توضح العملية التالية خطوة بخطوة تصنيع ISFET
  • تم تصنيع ISFET بمساعدة تقنية CMOS وبدون أي خطوات معالجة لاحقة
  • كل التصنيع يتم في المنزل في معمل التصنيع الدقيق
  • يجب أن تكون المادة 4 بوصة من رقاقة السيليكون من النوع P.
  • في ISFET ، يتم تحضير محطة البوابة بمواد SiO2 و Si3N4 ، وكلاهما من المواد القابلة للحساب من COMS.
  • هناك ست خطوات إخفاء وهي إنشاء مصارف مصدر n-well و n و p وبوابة وملامسة ومواد.
  • يتم تصميم Si3N4 و SiO2 من خلال حلول حفر أكسيد العازلة

تُظهر خطوات التصنيع التالية عملية MOSFET القياسية وحتى وقت ترسيب نيتريد السيليكون كفيلم استشعار أيون. يتم أداء ترسب نيتريد السيليكون بمساعدة طريقة ترسيب البخار الكيميائي المحسن بالبلازما. يتم قياس سمك الفيلم باستخدام مقياس القطع الناقص. بعد ترسب النيتريد ، تستمر العملية في نموذج الاتصال باستخدام قناع الاتصال.

خطوات تصنيع ISFET

تظهر خطوات التصنيع عملية MOSFET القياسية

يتم تصميم Si3N4 و SiO2 من خلال حلول حفر أكسيد العازلة

خطوة الحفر لنتريد السيليكون

يتم استخدام الحفر الكيميائي الرطب BHF في التنميش وأغشية النيتريد والأكسيد الأساسية من منطقة المصدر والتصريف. يساعد العرف BHF على القضاء على خطوة النقش الإضافية لنتريد السيليكون. الخطوة الأخيرة والأخيرة هي المعدنة في تلفيقات ISFET. بالقرب من منطقة البوابة ، لا يحتوي ترانزستور تأثير المجال الأيوني الحساس على طبقة معدنية ، يتم توفير المعدن عند المصدر وملامسات التصريف. يتم عرض الخطوات البسيطة والرئيسية لتصنيعات ترانزستور تأثير المجال الأيوني في الرسم التخطيطي التالي.


جهاز استشعار درجة الحموضة ISFET

هؤلاء أنواع أجهزة الاستشعار هي الاختيار لقياس الأس الهيدروجيني وهي ضرورية لتحقيق مستوى أعلى من الأداء. حجم المستشعر صغير جدًا وتستخدم المستشعرات لدراسة التطبيقات الطبية. يتم استخدام مستشعر الأس الهيدروجيني ISFET في إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) و CE التي تعتمد الأجهزة الطبية وهي أيضًا الأفضل لتطبيقات الطعام لأن الزجاج خالي من الزجاج ومثبت في مجسات بمساعدة ملف تعريف صغير يقلل من تلف المنتج. مستشعر الأس الهيدروجيني ISFET قابل للتطبيق في العديد من البيئات ، والمواقف الصناعية التي تختلف حسب الظروف الرطبة والجافة وأيضًا في بعض الظروف الفيزيائية مثل الضغط الذي يجعل أقطاب الأس الهيدروجيني الزجاجية التقليدية مناسبة.

جهاز استشعار درجة الحموضة ISFET

جهاز استشعار درجة الحموضة ISFET

خصائص ISFET درجة الحموضة

الخصائص العامة للأس الهيدروجيني ISFET هي التالية

  • يتم التحكم في الحساسية الكيميائية لـ ISFET تمامًا بواسطة خصائص الإلكتروليت
  • هناك أنواع مختلفة من المواد العضوية لمستشعر الأس الهيدروجيني مثل Al2O3 و Si3N4 و Ta2O5 لها خصائص أفضل من SiO2 ومع حساسية أكبر وانجراف منخفض.

مزايا ISFET

  • الاستجابة سريعة جدا
  • إنه تكامل بسيط مع إلكترونيات القياس
  • تقليل أبعاد بيولوجيا المسبار.

تطبيقات ISFET

الميزة الرئيسية لـ ISFET هي أنه يمكن أن يتكامل مع MOSFET والترانزستورات القياسية للدوائر المتكاملة.

عيوب ISFET

  • يتطلب الانجراف الكبير تغليفًا غير مرن لحواف الرقاقة وبأسلاك ربط
  • على الرغم من أن خصائص تضخيم الترانزستور لهذا الجهاز تبدو جيدة للغاية. بالنسبة لاستشعار المواد الكيميائية ، فإن مسؤولية الغشاء العازل تجاه التسمم البيئي وما تلاه من انهيار الترانزستور قد منعت ISFE من اكتساب شعبية في الأسواق التجارية.

توضح هذه المقالة حول مبدأ عمل ISFET وعملية التصنيع خطوة بخطوة. أعطت المعلومات الواردة في المقالة أساسيات ترانزستور تأثير المجال الأيوني الحساس وما إذا كان لديك أي منها بخصوص هذه المقالة أو حول افتراءات CMOS و NMOS الرجاء التعليق في القسم أدناه. هذا هو السؤال لك ، ما هي وظيفة ISFET؟

اعتمادات الصورة: