ترانزستور تأثير المجال الأيونية (ISFET)

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

ترانزستور التأثير الحقلي الحساس للأيونات ( ISFET ) هو ترانزستور تأثير حقلي يُستخدم لقياس تركيزات الأيونات في المحلول؛ فعندما يتغير تركيز الأيونات (مثل أيونات الهيدروجين H + ، انظر مقياس الرقم الهيدروجيني pH )، يتغير التيار المار عبر الترانزستور تبعًا لذلك. يُستخدم المحلول هنا كقطب بوابة. وينشأ فرق جهد بين سطح الركيزة وسطح الأكسيد نتيجةً لغلاف أيوني . وهو نوع خاص من ترانزستورات التأثير الحقلي المعدنية-الأكسيدية-شبه الموصلة ( MOSFET )، [ 1 ] ويشترك معها في نفس البنية الأساسية، ولكن مع استبدال البوابة المعدنية بغشاء حساس للأيونات ، ومحلول إلكتروليتي ، وقطب مرجعي . [ 2 ] تم اختراع ترانزستور ISFET في عام 1970، وكان أول ترانزستور تأثير حقلي للمستشعرات الحيوية (BioFET).

رسم تخطيطي لترانزستور تأثير المجال ذي التأثير الحقلي (ISFET). المصدر والمصب هما القطبان المستخدمان في نظام الترانزستور. يتدفق الإلكترون في قناة بين المصب والمصدر. يتحكم جهد البوابة في تدفق التيار بين القطبين.

تختلف عملية التحلل المائي السطحي لمجموعات Si–OH في مواد البوابة في المحاليل المائية تبعًا لقيمة الرقم الهيدروجيني . ومن مواد البوابة الشائعة SiO₂ و Si₃N₄ و Al₂O₃ و Ta₂O₅ .

يمكن وصف الآلية المسؤولة عن شحنة سطح الأكسيد بنموذج ارتباط المواقع ، الذي يصف التوازن بين مواقع Si–OH السطحية وأيونات H + في المحلول. تستطيع مجموعات الهيدروكسيل التي تغطي سطح أكسيد مثل SiO2 منح أو استقبال بروتون، وبالتالي تتصرف بطريقة مذبذبة، كما يتضح من تفاعلات الحمض والقاعدة التالية التي تحدث عند سطح التماس بين الأكسيد والإلكتروليت:

—Si–OH + H 2 O ↔ —Si–O − + H 3 O +        
—Si–OH + H3O + ↔ —Si – OH 2 + + H2O  

يُصنع مصدر ومصب ترانزستور ISFET بنفس طريقة ترانزستور MOSFET . يفصل حاجز حساس لأيونات الهيدروجين ، وفجوة تسمح للمادة قيد الاختبار بالتلامس مع هذا الحاجز، قطب البوابة عن القناة. يعتمد جهد عتبة ترانزستور ISFET على درجة حموضة المادة الملامسة لحاجزه الحساس للأيونات.

القيود العملية الناتجة عن قطب المقارنة

يمكن استخدام قطب ISFET الحساس لتركيز أيونات الهيدروجين (H +) كقطب زجاجي تقليدي لقياس درجة حموضة المحلول. مع ذلك، يتطلب هذا القطب وجود قطب مرجعي للتشغيل. إذا كان القطب المرجعي المستخدم في التلامس مع المحلول من النوع التقليدي AgCl أو Hg2Cl2 ، فإنه سيعاني من نفس القيود التي تعاني منها أقطاب قياس الحموضة التقليدية (جهد الوصلة، وتسرب كلوريد البوتاسيوم ، وتسرب الجلسرين في حالة القطب الهلامي). كما أن القطب المرجعي التقليدي قد يكون ضخمًا وهشًا. ويحول الحجم الكبير الذي يفرضه القطب المرجعي التقليدي دون تصغير حجم قطب ISFET، وهو أمر ضروري لبعض التحليلات البيولوجية أو السريرية التي تُجرى على الكائنات الحية (مسبار قياس الحموضة المصغر القابل للاستخدام لمرة واحدة). وقد يتسبب تعطل القطب المرجعي التقليدي في مشاكل في القياسات المباشرة في الصناعات الدوائية أو الغذائية، إذا تلوثت منتجات عالية القيمة ببقايا القطب أو مركبات كيميائية سامة في مرحلة متأخرة من الإنتاج، مما يستدعي التخلص منها حفاظًا على السلامة.

لهذا السبب، كُرِّست جهود بحثية مكثفة على مدى أكثر من عشرين عامًا لتطوير ترانزستورات تأثير المجال المرجعية الصغيرة المدمجة على الرقاقة (REFET). يختلف مبدأ عملها، أو طريقة تشغيلها، باختلاف مُصنِّعي الأقطاب الكهربائية، وغالبًا ما تكون هذه الترانزستورات ملكية خاصة ومحمية ببراءات اختراع. كما أن الأسطح المُعدَّلة بأشباه الموصلات، واللازمة لترانزستورات REFET، لا تكون دائمًا في حالة توازن ديناميكي حراري مع محلول الاختبار، وقد تكون حساسة للمواد المذابة الضارة أو المتداخلة، أو لظواهر التقادم غير الموصوفة بدقة. لا تُشكِّل هذه مشكلة حقيقية إذا أمكن إعادة معايرة القطب الكهربائي بشكل دوري ومنتظم، وصيانته بسهولة طوال فترة خدمته. مع ذلك، قد يُصبح هذا الأمر إشكاليًا إذا كان لا بد من إبقاء القطب الكهربائي مغمورًا في خط الإنتاج لفترة طويلة، أو إذا كان الوصول إليه صعبًا بسبب قيود معينة تتعلق بطبيعة القياسات نفسها (كالقياسات الجيوكيميائية تحت ضغط مائي مرتفع في بيئات قاسية، أو في ظروف نقص الأكسجين أو الاختزال التي تتأثر بسهولة بدخول الأكسجين الجوي أو تغيرات الضغط).

يُعدّ قطب المرجع عاملاً حاسماً في أقطاب ISFET، كما هو الحال في الأقطاب الزجاجية التقليدية. عند تشخيص أعطال الأقطاب، غالباً ما يتطلب الأمر البحث عن معظم المشاكل من جانب قطب المرجع.

الضوضاء منخفضة التردد لترانزستور ISFET

بالنسبة لأجهزة الاستشعار القائمة على ترانزستورات التأثير الحقلي الحساسة للأيونات (ISFET)، يُعدّ الضجيج منخفض التردد الأكثر ضررًا بنسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) الإجمالية، إذ يُمكن أن يتداخل مع الإشارات الطبية الحيوية التي تقع ضمن نفس نطاق التردد. [ 3 ] للضجيج ثلاثة مصادر رئيسية. تُعرف مصادر الضجيج خارج ترانزستور ISFET نفسه بالضجيج الخارجي، مثل التداخل البيئي وضجيج الأجهزة من دوائر قراءة البيانات الطرفية. أما الضجيج الداخلي، فيُشير إلى الضجيج الذي يظهر في الجزء الصلب من ترانزستور ISFET، والذي ينتج أساسًا عن احتجاز وتحرير حاملات الشحنة عند سطح التلامس بين الأكسيد والسيليكون. بينما ينشأ الضجيج الخارجي عمومًا من سطح التلامس بين السائل والأكسيد نتيجةً لتبادل الأيونات عند هذا السطح. وقد طُوّرت العديد من الطرق لكبح ضجيج ترانزستور ISFET. على سبيل المثال، لكبح الضجيج الخارجي، يُمكن دمج ترانزستور ثنائي القطب مع ترانزستور ISFET لتحقيق تضخيم داخلي فوري لتيار المصرف. [ 4 ] ولتقليل الضوضاء الداخلية، يمكننا استبدال واجهة الأكسيد/السيليكون المشوشة ببوابة وصلة شوتكي. [ 5 ]

انحراف ISFET

يشير انحراف ترانزستور ISFET إلى عدم استقرار جهد العتبة. فبعد اكتمال الاستجابة الذاتية لترانزستور pH-ISFET، يظل جهد الخرج متغيرًا تدريجيًا وثابتًا مع مرور الوقت، ويستمر هذا الانحراف طوال عملية القياس. وقد شكّل هذا أحد أبرز العقبات أمام تطوير مجسات طبية حيوية فعّالة تجاريًا تعتمد على ترانزستور ISFET. وعلى وجه الخصوص، فإن الدقة العالية المطلوبة للمراقبة المستمرة لدرجة حموضة الدم تفرض متطلبات صارمة على معدل الانحراف المسموح به في ترانزستورات pH-ISFET. [ 6 ]

تشمل التفسيرات المقترحة للانجراف هجرة الأيونات المعززة بالمجال الكهربائي داخل عازل البوابة، بالإضافة إلى ظروف عدم التوازن الكهروكيميائي عند سطح التماس بين العازل والمحلول، وحقن الإلكترونات من الإلكتروليت عند الاستقطاب الأنودي القوي، مما يخلق شحنة فراغية سالبة داخل أغشية العازل، وتأثيرات السطح البطيئة. [ 7 ]

تاريخ

يُعدّ ترانزستور MOSFET أساسًا لترانزستور ISFET . درس المهندس الهولندي بيت بيرغفيلد ، في جامعة توينتي، ترانزستور MOSFET ، وأدرك إمكانية تكييفه ليصبح مستشعرًا للتطبيقات الكهروكيميائية والبيولوجية . [ 8 ] [ 1 ] أدى ذلك إلى اختراع بيرغفيلد لترانزستور ISFET عام 1970. [ 9 ] [ 8 ] وصف بيرغفيلد ترانزستور ISFET بأنه "نوع خاص من ترانزستور MOSFET ببوابة على مسافة محددة". [ 1 ] وكان أول ترانزستور FET للمستشعرات الحيوية (BioFET). [ 10 ]

يمكن دمج مستشعرات ISFET في الدوائر المتكاملة القائمة على تقنية CMOS (أشباه الموصلات المعدنية التكميلية). تُستخدم أجهزة ISFET على نطاق واسع في التطبيقات الطبية الحيوية ، مثل الكشف عن تهجين الحمض النووي ، والكشف عن المؤشرات الحيوية في الدم ، والكشف عن الأجسام المضادة ، وقياس الجلوكوز ، واستشعار درجة الحموضة . [ 2 ] كما يُعدّ ISFET أساسًا لتقنية BioFET اللاحقة، مثل ترانزستور تأثير المجال للحمض النووي (DNAFET)، [ 2 ] [ 9 ] المستخدم في التقنية الجينية . [ 2 ]

برزت مؤخرًا ترانزستورات تأثير المجال المصنوعة من الجرافين (GFETs) العاملة في السوائل كنموذج واعد لترانزستورات تأثير المجال الحساسة للأيونات (ISFETs). ويعود ذلك إلى أن قنوات الجرافين توفر محولًا أكثر حساسية لتحويل الشحنة إلى تيار مقارنةً بالأجهزة التقليدية القائمة على قنوات أشباه الموصلات الكلاسيكية. إضافةً إلى ذلك، يُعد سطح الجرافين أسهل في التعديل الوظيفي مقارنةً بالسيليكون، مما أدى إلى تطورات واسعة النطاق في ترانزستورات تأثير المجال الحيوية (bioFETs). [ 11 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 بيرغفيلد، بيت (أكتوبر 1985). "تأثير أجهزة الاستشعار القائمة على ترانزستورات MOSFET" (ملف PDF) . أجهزة الاستشعار والمحركات . 8 (2): 109-127 . Bibcode : 1985SeAc....8..109B . doi : 10.1016/0250-6874(85)87009-8 . ISSN 0250-6874 . 
  2. 1 2 3 4 شونينغ، مايكل جيه؛ بوغوسيان، أرشاك (10 سبتمبر 2002). "التطورات الحديثة في ترانزستورات التأثير الحقلي الحساسة بيولوجيًا (BioFETs)" (ملف PDF) . المحلل . 127 (9): 1137-1151 . Bibcode : 2002Ana...127.1137S . doi : 10.1039/B204444G . ISSN 1364-5528 . PMID 12375833 .  
  3. ^ بيدنر ، كريستين. جوزينكو، فيتالي أ. تاراسوف، أليكسي؛ ويبف، ماتياس؛ ستوب، رالف ل. ريجانتي، سارة؛ برونر، جان؛ فو، وانجيانج؛ ديفيد كريستيان. كالامي ميشيل. جوبريشت ، ينس (فبراير 2014). "دراسة مصدر الضوضاء السائد 1/f في مستشعرات أسلاك السيليكون النانوية" . أجهزة الاستشعار والمحركات ب: الكيميائية . 191 : 270– 275. بيب كود : 2014SeAcB.191..270B . دوى : 10.1016/j.snb.2013.09.112 . ISSN 0925-4005 . 
  4. ↑ تشانغ، دا؛ غاو، شيندونغ؛ تشين، سي؛ نورستروم، هانز؛ سميث، أولف؛ سولومون، بول؛ تشانغ، شي-لي؛ تشانغ، تشن (25-08-2014). "مضخم ثنائي القطب مُوَجَّه بالأيونات لاستشعار الأيونات مع إشارة مُحسَّنة وأداء ضوضاء مُحسَّن" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 105 (8): 082102. Bibcode : 2014ApPhL.105h2102Z . doi : 10.1063/1.4894240 . ISSN 0003-6951 . 
  5. ↑ تشين، شي؛ تشين، سي؛ هو، تشيتاو؛ تشانغ، شي-لي؛ سولومون، بول؛ تشانغ، تشن (22 فبراير 2019). "تقليل ضوضاء الجهاز لأجهزة الاستشعار القائمة على ترانزستور تأثير المجال المصنوع من أسلاك السيليكون النانوية باستخدام بوابة وصلة شوتكي" . مجلة ACS Sensors . 4 (2): 427-433 . Bibcode : 2019ACSSe...4..427C . doi : 10.1021/acssensors.8b01394 . ISSN 2379-3694 . PMID 30632733. S2CID 58624034 .   
  6. ↑ تشو، جونغ تشوان (2022). "تحضير ودراسة خصائص الانجراف والتخلف المغناطيسي لترانزستور تأثير المجال ذي البوابة المصنوعة من أكسيد القصدير باستخدام طريقة سول-جل". أجهزة الاستشعار والمحركات ب: الكيميائية . 86 (1): 58-62. doi : 10.1016/S0925-4005(02)00147-8 .
  7. ↑ جاماسب، س.؛ كولينز، س.د.؛ سميث، ر.ل. (1997). "نموذج قائم على أسس فيزيائية للانحراف في ترانزستورات التأثير الحقلي الحساسة للأس الهيدروجيني ذات بوابة أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃)". وقائع المؤتمر الدولي لأجهزة الاستشعار والمحركات الصلبة (Transducers '97) . المجلد 2. الصفحات 1379-1382 . doi : 10.1109/SENSOR.1997.635494 . ISBN   0-7803-3829-4.
  8. 1 2 بيرغفيلد، ب. (يناير 1970). "تطوير جهاز صلب حساس للأيونات لقياسات الفيزيولوجيا العصبية". معاملات IEEE في الهندسة الطبية الحيوية . BME-17 (1): 70-71 . Bibcode : 1970ITBE...17...70B . doi : 10.1109/TBME.1970.4502688 . PMID 5441220 . 
  9. 1 2 كريس تومازو؛ بانتليس جورجيو (ديسمبر 2011). "أربعون عامًا من تقنية ISFET: من الاستشعار العصبي إلى تسلسل الحمض النووي" . رسائل الإلكترونيات . 47 : S7. doi : 10.1049/el.2011.3231 . تاريخ الاسترجاع: 13 مايو 2016 .
  10. ↑ بارك، جيهو؛ نغوين، هوانغ هيب؛ ووبيت، عبد الله؛ كيم، مونيل (2014). "تطبيقات أجهزة الاستشعار الحيوية من نوع ترانزستور تأثير المجال (FET)" . العلوم التطبيقية وتكنولوجيا التقارب . 23 (2): 61-71 . doi : 10.5757/ASCT.2014.23.2.61 . ISSN 2288-6559 . S2CID 55557610 .  
  11. ↑ بيرو، أ. (2021). "ترانزستورات تأثير المجال المصنوعة من الجرافين كمستشعرات تحليلية حيوية: التصميم والتشغيل والأداء" . المحلل . 146 (2): 403-428 . Bibcode : 2021Ana...146..403B . doi : 10.1039/D0AN01661F . PMID 33215184 . 

فهرس

للمزيد من القراءة