Caracterización Eléctrica y Electroquímica de Sensores tipo Transistor de Efecto de Campo Sensitivo a Iones (ISFET) Gabriel Cava*(a), José Dávila(a), Salvador Mogrovejo(a), Carlos Silva(b), Abel Gutarra(a) (a) Laboratorio de Catálisis y Medio Ambiente. Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Ingeniería. (b) Laboratorio de Microelectrónica, Pontificia Universidad Católica del Perú. * ivancavad@yahoo.es En este trabajo se reportan mediciones eléctricas y electroquímicas obtenidas en sensores químicos ISFET’s fabricados con nitruro de silicio como material sensible al pH y se presenta una breve introducción a sus principios de funcionamiento. Se describen las técnicas de polarización utilizadas para la extracción de las curvas voltampéricas, la sensibilidad química y el voltaje umbral. Además se muestra el montaje experimental de un sistema de detección por inyección de pulsos, el cual resultó funcional. This paper reports electrochemical measurements obtained for chemical sensors ISFET’s made with silicon nitride as sensitive material to pH and offers a brief introduction to its theory of operation. Additionally we describe the polarization techniques used for the extraction of voltamperic curves, chemical sensibility and threshold voltage. Furthermore an experimental detection system by pulse injection is shown, which was functional. Keywords: Sensores electroquímicos, ISFET, biosensores. 1. Introducción Se han utilizado ampliamente sensores de estado sólido para la determinación de especies químicas [1]. Es posible determinar mediante sensores químicos basados en silicio la concentración de un gran número de iones y moléculas en solución. Los sensores que se basan en transistores de efecto de campo sensibles a iones (ISFET) ofrecen una alternativa interesante. Los primeros dispositivos de este tipo fueron desarrollados por Piet Bergveld en 1970 [2]. Su trabajo pionero mostró las potencialidades de los chips de silicio para actuar como sensores de procesos bioquímicos, lo cual ha devenido en el concepto moderno de integración analítica conocido como “lab on a chip”. El ISFET fue presentado por Bergveld como un nuevo dispositivo que combinaba las propiedades químicamente sensibles de las membranas de vidrio con las características de conversión de impedancias de los MOSFET’s. La caracterización de los circuitos integrados fabricados con tecnología microelectrónica persigue como objetivo asegurar la calidad y funcionalidad de los chips, garantizando así las modificaciones pertinentes para alcanzar el objetivo final. Sin embargo, a pesar de los avances de las últimas décadas aún queda mucho por investigar sobre aspectos fundamentales y tecnológicos que mejorarían el funcionamiento de este tipo de sensores y que se extenderían a otras áreas de aplicación de mucha importancia como la agrícola y el monitoreo de parámetros medioambientales. En este artículo mostramos los avances que nuestro grupo de investigación ha alcanzado en la caracterización electroquímica de un ISFET y el ensamblaje de un sistema de inyección de flujo para la detección de diversos analitos. 2. Fundamentos El ISFET es una variante del transistor de efecto de campo de metal y óxido conocido en microelectrónica como MOSFET. La estructura física de un MOSFET se muestra en la figura 1. En este caso, el sustrato es silicio dopado tipo p y tanto la fuente S como el drenador D están formados por silicio tipo n fuertemente dopado. El gate es un metal que al ser polarizado respecto al sustrato crea un campo eléctrico que polariza a su vez al óxido e incrementa la densidad de portadores minoritarios n en la región que separa a S y D (canal de inversión) permitiendo el paso de la corriente desde la fuente al drenador IDS. El conjunto de ecuaciones que describen los parámetros de un MOSFET se encuentran deducidas en la bibliografía estándar sobre dispositivos semiconductores [3]. La corriente fuente-drenador en la zona lineal (antes de la saturación) está dada por, I DS Cox W L 1 (VGS VTh ) 2 VDS VDS (1) VDS (VGS VTh ) , donde Cox es la capacitancia de la capa de óxido cuyas dimensiones son W y L; es la válida para movilidad de los portadores minoritarios en el canal de inversión; y VTh es el voltaje umbral, que se define como el mínimo potencial que forma un canal de inversión con los portadores minoritarios y a partir del cual se establece la corriente I DS , su valor es, VTh VFB 2B Qi QD Cox (2) donde Qi es la carga en la zona de inversión, QD es la carga en la zona de agotamiento. B se origina por la separación entre Ei y su desplazamiento como consecuencia del dopaje E F . N A y ni representan las la energía de Fermi intrínseca densidades de aceptores respectivamente. y de portadores expone el óxido al contacto directo con un electrolito, como se observa en la figura 2. La polarización se hace a través de un electrodo de referencia y la distribución de campo eléctrico que originan los potenciales de polarización son de diferente naturaleza que M , teniendo en cuenta esta modificación, el voltaje de banda plana está dado por, VFB Vref 0 sol intrínsecos donde B Ei E F kT N A ln q ni (3) s Qi QD q Cox (6) Vref es el potencial generado en la interfase entre el 0 es el electrolito-óxido, sol es el electrodo de referencia y el electrolito, potencial generado en la interfase potencial originado por las moléculas polares del solvente en la superficie del dieléctrico. G O VGS D n+ n+ B S Si - p VDS Figura 1. Estructura de un MOSFET: G-gate, O-óxido de compuerta, D-drenador, S-fuente, B-sustrato. El potencial de banda plana VFB es uno de los parámetros más importantes que definen la juntura entre las fases metal-óxidosemiconductor. Físicamente describe la condición en la cual no hay distribución de carga en el gate y por lo tanto no hay campo eléctrico polarizante. Su valor está en función de la diferencia entre las funciones de trabajo del metal y el semiconductor representados por M y S respectivamente, VFB M S Qi QD q Cox Ec Ei kT N A ln 2q q ni ER VGS Electrolito R R (4) O D En el caso del semiconductor, la función trabajo involucra la afinidad electrónica además de los parámetros conocidos, S Los procesos que tienen lugar en la interfase dieléctricoelectrolito y su relación con la respuesta del dispositivo al variar el pH del medio son todavía objeto de estudio. Los modelos propuestos inicialmente consideraban que las distribuciones de carga y el potencial generado en la interfase óxido-electrolito eran consecuencias de procesos de difusión en analogía al comportamiento de los electrodos de vidrio. Según esto, al hidratarse el óxido de compuerta del ISFET, las especies iónicas del electrolito atravesaban al óxido hasta la superficie del semiconductor. Estudios posteriores [4] comprobaron que la respuesta de los ISFET’s era mucho más rápida que la esperada según los procesos de difusión a través de un aislante, y además el espesor de la capa de óxido no influía en el tiempo de respuesta. Así mismo, para ISFET’s con puertas de materiales con coeficientes de difusión menores que el del óxido de silicio la sensibilidad al pH observada era mayor. (5) Las ecuaciones (1) a (5) son válidas para el MOSFET. Sin embargo para el ISFET existe una diferencia fundamental en cuanto a su estructura física. En lugar del metal, el ISFET n+ n+ B S Si - p VD S Figura 2. Estructura de un MOSFET: ER-electrodo de referencia, O-óxido de compuerta, R-resina epóxica, Ddrenador, S-fuente, B-sustrato. De acuerdo con la teoría de enlaces locales [5], existe una acumulación anisotrópica de iones en la interfase entre una superficie electroquímicamente activa y un electrolito (Figura 3). Según la teoría de Gouy – Chapman – Stern [6], debido a su carga y tamaño variable los iones forman una doble capa eléctrica definida por dos planos llamados a su vez plano interior de Helmholtz (PIH) y plano exterior de Helmholtz (PEH) cerca de la superficie seguida de una capa difusa de cargas mas o menos móviles hacia el seno del electrolito. Distribución de carga | Si | Si | Si | Si | acidez del medio. Específicamente, los posibles enlaces superficiales para una capa de Si3 N4 son [7], SiOH SiO H SiOH H SiOH2 SiNH2 H SiNH3 El desarrollo de las ecuaciones termodinámicas de las reacciones anteriores lleva a una forma simple de la ecuación del potencial de interfase en función del pH la cual indica una relación lineal para un amplio rango de pH, es decir se cumple que, 0 pH – OH 2 – O – OH (7) donde está determinada tanto por la temperatura como por la densidad y tipo de sitios activos que son capaces de hidrolizarse. Capa difusa – O Ion solvatado Si – NH 2 | 3. Parte Experimental Si – O | Si – NH 3 | Componentes y dimensiones del ISFET PIH PEH } El sustrato del ISFET es de silicio tipo p dopado con Boro el cual presenta una resistividad de 40 Ω.cm. El aislante de compuerta es una película delgada de Si3N4 depositada sobre una película de SiO2. Una cubierta epóxica deja únicamente la superficie del Si3N4 expuesto al electrolito (Figura 4). El ISFET se encuentra adosado a un circuito impreso y conectado con pistas de cobre como se muestra en la figura 5. Para el presente trabajo se utilizaron ISFET’s fabricados en el Centro Nacional de Microelectrónica en Barcelona – España. Capa de Helmholtz 0 X Figura 3. Distribución espacial de carga y potencial en la interfase nitruro de silicio / solución. Actualmente las técnicas de fabricación de películas delgadas permiten sustituir o añadir a la capa de óxido otros materiales aislantes cerámicos con superiores propiedades físicoquímicas. En este trabajo el material aislante expuesto al medio es el nitruro de silicio. Para este tipo de material, los átomos de Si y N superficiales tienen la capacidad de hidrolizarse o liberar protones reversiblemente en función a la densidad de enlaces OH superficiales (sitios activos) y de la Figura 4. Micrografía del ISFET. La línea de mayor longitud indica el ancho W (500 m) y longitud L (10 m) del canal. Para este caso se ajustó el convertidor I-V a una transimpedancia de 1 mV/µA. La frecuencia de corte del filtro pasa bajo, tomando R1=R2=R y C1=C2=C, está dada por f 0 1 2 2RC y fue ajustada a 10Hz. Las mediciones de IDS – VDS e IDS – VGS se obtuvieron bajo condiciones de oscuridad a temperatura ambiente con soluciones buffer de valores de pH entre 2 y 12 para distintas condiciones de operación. Para la polarización de la puerta se utilizó un electrodo de referencia comercial de Ag/AgCl de doble unión líquida marca Hanna Instruments. Los resultados de esta primera caracterización electroquímica se muestran en las figuras 7, 8, 9 y 10. Figura 5. Fotografía del ISFET adosado a un circuito impreso. Sistema de caracterización eléctrica Para medir IDS se utilizó el convertidor corriente – voltaje de la figura 6 (formado por U1 y R1) el cual presenta una impedancia de carga casi cero debido a que la entrada no inversora está conectada a tierra y esto hace que la entrada inversora aparezca como tierra virtual. La corriente sin embargo fluye a través de la resistencia R1 generando a la salida de U1 un voltaje Vout = -IDS x R1. La siguiente etapa del circuito es un filtro de 2do orden pasa bajo con célula SallenKey ajustado a una característica Butterworth. Tanto la polarización del ISFET como la obtención de las curvas se realizaron de manera automática utilizando una interfase de adquisición de National Instruments modelo PCI 6229 con cable y bornera blindada para conseguir la máxima atenuación del ruido. Los instrumentos virtuales para el manejo de la interfase de adquisición de datos y la toma y almacenamiento de los mismos fueron desarrollados en el programa LabVIEW de National Instruments. En la figura 10 se observa que el ISFET es un dispositivo cuyo voltaje umbral depende del pH del medio. Además se encontró que los niveles de corriente de drenador IDS resultan proporcionales y reproducibles en función a los niveles de pH de la solución analizada bajo las mismas condiciones de polarización tanto en la zona lineal como en la zona de saturación (Figura 11). Figura 6. Circuito de medición y polarización del ISFET. Gráfica IDS vs. VGS para distintos valores de pH 6 VGS (V) 4.0 pH = 7 5 1.5 VDS = 0.5 V 1.0 3.5 3 3.0 2 2.5 2.0 1.5 1 0 IDS (mA) IDS (mA) 4 0 1 2 3 pH = 4 pH = 7 pH = 10 0.5 0.0 4 0 1 2 VDS (V) Figura 7. Curvas IDS – VDS características adquiridas a pH 7. Gráfica IDS vs. pH 2.0 IDS (mA) IDS (mA) 3.5 VDS (V) 2.0 1.5 1.0 0.5 pH = 7 1.0 3.0 Zona de Saturación (VDS=2.5 V y VGS=3.0 V) 2.5 r = 0.9998 2 2.0 Zona Lineal (VDS=0.5 V y VGS=3.0 V) 1.5 0.0 1.0 0 1 2 3 4 VGS (V) 0 2 4 6 8 10 12 14 Figura 11. Curvas IDS – pH tanto para la zona lineal como para la de saturación. 4 Determinación del voltaje umbral VGS = 3.0 V pH 4 7 10 3 IDS (mA) 2 r = 0.9925 pH Figura 8. Curvas IDS - VGS características adquiridas a pH 7. 2 1 0 4 Figura 10. Curvas IDS – VGS para distintos valores de pH. Gráfica IDS vs. VGS para una solución de pH=7 3.0 3 VGS (V) 0 1 2 3 VDS (V) Figura 9. Curvas IDS – VDS para distintos valores de pH. Según la ecuación (1), IDS es proporcional a VGS para valores fijos de VDS. Esto se observa en la figura 10. Para valores pequeños de VDS se observa que esta región no es exactamente lineal sino que su pendiente tiende a disminuir de manera suave. El problema consiste en hallar el valor de VGS para el cual empieza la zona lineal. Así el comportamiento de la transconductancia, cuyo valor es, gm I DS VGS (8) será creciente hasta llegar al inicio de la zona lineal para luego disminuir progresivamente y de manera suave. Esto significa que el valor de VGS correspondiente al máximo valor de la transconductancia es el valor donde comienza la zona lineal. Si realizamos una extrapolación lineal en esta zona, el 0 Th intercepto con el eje correspondiente a VGS ( V ) nos dará un valor muy cercano al voltaje umbral, que puede ser escrito como, VTh VTh0 (9) donde γ es una constante. La principal desventaja de este método es que, al ser un método derivativo, es muy sensible al ruido. Sin embargo, en la etapa final y al utilizar una extrapolación por mínimos cuadrados se elimina la mayor parte del ruido presente en la señal original. Este método de extracción del voltaje umbral es también conocido como Método de extrapolación en la zona lineal. Primeras Derivadas de IDS con Respecto a VGS Primera Derivda de IDS 0.7 Para estudiar la sensibilidad y tiempo de respuesta del ISFET, se montó el sistema de inyección de flujo que se muestra en la figura 14. Una bomba peristáltica (MATERFLEX, ColeParmer) impulsa un flujo continuo de agua que pasa por el reactor (en el cual se encuentran el ISFET y un microelectrodo de referencia de Ag/AgCl fabricado para este trabajo) y descarga en el sumidero. El analito se introduce al sistema por medio de una bomba dispensadora (IWAKI WALCHEM, EW10) que inyecta pulsos de volumen discreto en un rango de 22 a 110 L/pulso. La mezcla de ambos fluidos ingresa al reactor, donde es detectado por el ISFET generando señales eléctricas que son leídas y transmitidas a una PC por medio de una interfase de adquisición (National Instruments, PCI 6229). Los datos son graficados y almacenados on line por medio de aplicaciones generadas con el programa LabVIEW de National Instruments. 0.6 Fabricación del microelectrodo de referencia de Ag/AgCl 0.5 0.4 pH = 4 pH = 7 pH = 10 0.3 0.2 0.1 0.0 0 1 2 3 VGS (V) Figura 12. Primera derivada suavizada de IDS con respecto a VGS en la zona lineal. 1.0 Gráfica Voltaje Umbral VTH vs. pH 0.8 VTh(V) Construcción del sistema de detección por inyección de pulsos 60.1 mV/pH 0.6 0.4 r2 = 0.9985 0.2 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 pH Figura 13. Gráfica Voltaje umbral vs. pH obtenida por el método de extrapolación en la zona lineal. El alambre de Ag/AgCl fue fabricado por electrodeposición de AgCl sobre un alambre de Ag (>99.99%) de 8 cm de largo y 0.1 mm de diámetro. El alambre de plata fue anodizado en régimen potenciostático a 1.2V en una solución de KCl 1M, ajustada a pH 4.2 para favorecer la deposición de AgCl debido al medio ácido, por espacio de 60 minutos bajo agitación continua y a temperatura ambiente. El ajuste de pH se realizó utilizando HCl para evitar agentes interferentes en el medio debido al ión común. Al final del proceso el alambre presentó un color plomo oscuro. Inmediatamente después el alambre de Ag fue lavado con agua destilada y acondicionado en una solución de KCl 0.01 M por 24 horas. La calibración del pseudoelectrodo se realizó mediante adiciones controladas de KCl utilizando una micropipeta marca BOECO modelo 100-1000. El potencial fue determinado utilizando un pH-metro – voltímetro con una precisión de 0.01 mV frente a un electrodo comercial de Ag/AgCl de doble unión líquida con solución interna de KNO 3, ambos marca Hanna Instruments. La curva de calibración se muestra en la figura 15. El pseudoelectrodo presentó una respuesta nerstiana con una deriva temporal de 0.1 mV/h. Para la fabricación del microelectrodo se utilizó como recámara una pipeta_Pasteur estándar y como puente salino se depositó en caliente una gelatina de agar al 1%, preparada en una solución de KCl 3.5M, en la punta de la pipeta y cuidando que no se formaran burbujas. Se dejó enfriar a temperatura ambiente por espacio de una hora y se acondicionó en una solución de KCl 0.01M por 3 horas. El esquema del microelectrodo de referencia se puede apreciar en la figura 16. El potencial presentado por el microelectrodo fue de 56.5 ± 0.5 mV frente a un electrodo comercial de Ag/AgCl de ISFET Bomba dosificadora Electrodo de referencia Reactor Analito Sumidero Agua de grifo Bomba peristáltica Figura 14. Diagrama general del sistema de inyección de flujo. doble unión líquida en pruebas con soluciones buffer de diferentes valores de pH. El microelectrodo presentó una deriva temporal de 0.2 mV/h. Curva de Calibración - Electrodo de Ag/AgCl Voltaje (mV) 250 200 150 - 55.2 mV/log[Cl ] 2 100 r = 0.9999 0 1 2 3 - 4 5 6 - log[Cl ] Figura 15. Curva de calibración del pseudoelectrodo de referencia. Figura 16. Diagrama del microelectrodo de referencia de Ag/AgCl fabricado. En estas pruebas se utilizó como analito una solución buffer de pH = 2 de concentración 0.5M. Para cada volumen inyectado se muestra una secuencia de pulsos que permiten apreciar una buena reproducibilidad en la amplitud de la señal. La rapidez de la respuesta es menor que 1s, lo que es relativamente rápido para señales biomédicas. En la figura 17 se han graficado los máximos de la señal del ISFET para diferentes volúmenes inyectados del analito, de esta forma se puede obtener una curva de calibración para aplicaciones prácticas. Cabe resaltar la linealidad en el rango medido (Figura 18). Señal ISFET (u.a.) Respuesta del ISFET en Flujo Continuo 110 L/pulso arrastre varía. En la figura 19 se observa que cuando el flujo de agua es menor, mayor es el intervalo de tiempo necesario para que el pulso retorne a su valor inicial, lo cual indica mayor tiempo de permanencia del analito en el sistema. En la figura 20 se muestra una curva de calibración registrando los máximos de la señal del ISFET para diferentes valores del flujo de arrastre. En este caso también se observa gran linealidad 5 mL/min Señal ISFET (u.a.) Calibración del sistema de detección por inyección de pulsos 50 mL/min 100 mL/min } 50 A 0 20 22 L/pulso 25 A 0 20 40 60 60 80 100 Tiempo (s) 66 L/pulso } 40 Figura 19. Respuesta del ISFET a diferentes flujos del fluido de arrastre. 80 100 120 Tiempo (s) Amplitud del Pulso vs. Flujo Figura 17. Respuesta del ISFET para diferentes volúmenes inyectados del analito. Amplitud del Pulso vs. Volumen Inyectado Señal ISFET (A) 300 250 200 50 mL/min Señal ISFET (A) 360 320 110 L/pulso 280 240 2 r = 0.9896 200 160 0 20 40 60 80 100 120 Flujo (mL/min) 150 Figura 20. Calibración de la señal del ISFET con el flujo del fluido de arrastre. 2 r = 0.9981 100 50 20 40 60 80 100 120 Volumen Inyectado (L) Figura 18. Calibración de la señal del ISFET con el volumen de analito inyectado. En algunas aplicaciones es importante variar el tiempo de permanencia del analito en el sistema. Por ello es conveniente analizar la respuesta del ISFET cuando el flujo del fluido de Todos los reactivos utilizados en el presente trabajo fueron de grado P.A. (para análisis). Se utilizó también agua tridestilada con una conductividad de 1 µS/cm. Para asegurar que las superficies de los ISFET’s se encontraban libres de suciedad se lavaron en HF al 2% por 15 segundos seguido de un enjuague con agua destilada. Antes de su uso cada ISFET era lavado con agua destilada y acondicionado en una solución buffer de pH 7 por espacio de 10 minutos. Después de usado cada ISFET era lavado nuevamente con agua destilada. Los ISFET’s fueron almacenados secos, en un empaque antiestático. 4. Conclusiones Se ha caracterizado eléctrica y electroquímicamente un sensor basado en un ISFET de canal n. Se midieron las curvas corriente-voltaje del drenador mostrando las zonas características lineal y de saturación. Se obtuvo una excelente linealidad en la respuesta del voltaje umbral en función de la acidez del electrolito en un rango de pH entre 2 y 12. El sensor y el microelectrodo de referencia (fabricado para este trabajo) fueron introducidos en una pequeña cámara integrada a un sistema de inyección de pulsos. Fueron detectados con facilidad pulsos de 22L de una solución buffer de pH = 2 de concentración 0.5M con tiempos de respuesta menores que 1 s. Las pruebas con volúmenes variables del analito, y flujos variables del fluido de arrastre demuestran una buena reproducibilidad en la respuesta de la señal eléctrica del ISFET. Estas características en conjunto, evidencian la factibilidad de usar este sensor para monitorear diferentes tipos de analitos 1. 2. 3. 4. S. Middelhoek, “Celebration of the tenth transducers conference: The past, present and future of transducer research and development”, Sensors and Actuators A Physical, vol 82, n1 1-3, 2000, p.2-23. P. Bergveld, Developments of an ion-sensitive solid-state device for neuro-physiological measurements, IEEE Trans. Biomed. Eng BME-17 (1970). Sze, S. M., Physics of Semiconductor Devices, Wiley – Interscience (1969). W.M Siu, R. S. C. Cobbold, “Basic properties of the electrolyte-SiO2-Si system: physical and theoretical cuya acción sobre el medio sea modificar el pH. Sin embargo este criterio abre una gama mayor de posibilidades teniendo en cuenta que la polarización de la puerta podría originarse por reacciones enzimáticas o por efectos de polarización al fijar complejos antígeno-anticuerpo. Estas opciones serán estudiadas en los próximos trabajos de investigación. Agradecimientos Los autores de este artículo desean expresar su agradecimiento al Centro Nacional de Microelectrónica de Barcelona, por haber proporcionado los ISFET’s utilizados en este trabajo; al Instituto de Investigación del Facultad de Ciencias de la UNI por el financiamiento del proyecto, al Instituto General de Investigación de la UNI; al Lic. Christian Jacinto y al Laboratorio Nº 33 por el apoyo con los reactivos. 5. 6. 7. aspects”, IEEE Transactions on Electro Devices, vol 26, nº 11, 1979, p 1805-1815. D. E. Yates, S. Levine and T. Healy; Site-Binding Model of the Electrical Double Layer at the Oxide/Water Interface, J. Chem. Soc. Farady (1974). J. O’M Bockris, A. K. N. Reddy; Electroquímica Moderna, Vols. 1 y 2. Editorial Reverte (1980). E. Valdés, “Análisis Integral del ISFET: Sistema Automatizado de Caracterización”, Memoria presentada como trabajo de investigación de Tercer Ciclo en Ingeniería Electrónica, Universidad Autónoma de Barcelona, (1997).