إسفيت

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

ترانزستور تأثير المجال الحساس للأيونات ( ISFET ) هو ترانزستور تأثير المجال يستخدم لقياس تركيزات الأيونات في المحلول؛ عندما يتغير تركيز الأيونات (مثل H + ، انظر مقياس الرقم الهيدروجيني )، يتغير التيار عبر الترانزستور وفقًا لذلك. هنا، يتم استخدام المحلول كقطب بوابة. ينشأ الجهد بين الركيزة وأسطح الأكسيد بسبب غمد الأيونات . إنه نوع خاص من MOSFET (ترانزستور تأثير المجال المعدني - الأكسيد - أشباه الموصلات)، [1] ويشترك في نفس البنية الأساسية، ولكن مع استبدال البوابة المعدنية بغشاء حساس للأيونات ومحلول إلكتروليت وقطب مرجعي . [2] تم اختراع ISFET في عام 1970، وكان أول ترانزستور تأثير المجال الحيوي (BioFET).

المنظر التخطيطي لـ ISFET. المصدر والمصرف هما القطبان المستخدمان في نظام FET. يحدث تدفق الإلكترونات في قناة بين المصرف والمصدر. يتحكم جهد البوابة في تدفق التيار بين القطبين.

يختلف التحلل المائي السطحي لمجموعات Si-OH لمواد البوابة في المحاليل المائية بسبب قيمة الرقم الهيدروجيني. مواد البوابة النموذجية هي SiO 2 و Si 3 N 4 و Al 2 O 3 و Ta 2 O 5 .

يمكن وصف الآلية المسؤولة عن شحنة سطح الأكسيد من خلال نموذج ربط الموقع ، والذي يصف التوازن بين مواقع سطح Si–OH وأيونات H + في المحلول. يمكن للمجموعات الهيدروكسيل التي تغطي سطح الأكسيد مثل سطح SiO 2 أن تتبرع أو تقبل بروتون وبالتالي تتصرف بطريقة متذبذبة كما هو موضح من خلال تفاعلات الحمض والقاعدة التالية التي تحدث عند واجهة الأكسيد والإلكتروليت:

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

يتم تصنيع مصدر ومصرف ISFET كما هو الحال بالنسبة لـ MOSFET . يتم فصل قطب البوابة عن القناة بواسطة حاجز حساس لأيونات الهيدروجين وفجوة تسمح للمادة قيد الاختبار بالاتصال بالحاجز الحساس. يعتمد جهد العتبة لـ ISFET على درجة حموضة المادة التي تلامس حاجزها الحساس للأيونات.

القيود العملية بسبب القطب المرجعي

يمكن استخدام قطب ISFET الحساس لتركيز H + كقطب زجاجي تقليدي لقياس درجة حموضة المحلول. ومع ذلك، فإنه يتطلب أيضًا قطبًا مرجعيًا للعمل. إذا كان القطب المرجعي المستخدم في اتصال مع المحلول من النوع الكلاسيكي AgCl أو Hg 2 Cl 2 ، فسوف يعاني من نفس القيود التي تعاني منها أقطاب الأس الهيدروجيني التقليدية (إمكانية الوصل، وتسرب KCl ، وتسرب الجلسرين في حالة قطب الجل). يمكن أن يكون القطب المرجعي التقليدي أيضًا ضخمًا وهشًا. يمنع الحجم الكبير جدًا المقيد بقطب مرجعي كلاسيكي أيضًا تصغير قطب ISFET، وهي ميزة إلزامية لبعض التحليلات السريرية البيولوجية أو في الجسم الحي (مسبار الأس الهيدروجيني للقسطرة الصغيرة التي يمكن التخلص منها). يمكن أن يتسبب انهيار قطب مرجعي تقليدي أيضًا في حدوث مشكلة في القياسات عبر الإنترنت في صناعة الأدوية أو الأغذية إذا تلوثت المنتجات ذات القيمة العالية بحطام القطب أو المركبات الكيميائية السامة في مرحلة الإنتاج المتأخرة ويجب التخلص منها من أجل السلامة.

لهذا السبب، منذ أكثر من 20 عامًا، تم تخصيص العديد من الجهود البحثية لترانزستورات تأثير المجال المرجعية الصغيرة المضمنة على الشريحة (REFET). يمكن أن يختلف مبدأ عملها أو وضع التشغيل، اعتمادًا على منتجي الأقطاب الكهربائية وغالبًا ما تكون مملوكة ومحمية ببراءات الاختراع. كما أن الأسطح المعدلة بأشباه الموصلات المطلوبة لـ REFET ليست دائمًا في حالة توازن ترموديناميكي مع محلول الاختبار ويمكن أن تكون حساسة للأنواع الذائبة العدوانية أو المتداخلة أو ظواهر الشيخوخة غير الموصوفة جيدًا. هذه ليست مشكلة حقيقية إذا كان من الممكن إعادة معايرة القطب الكهربائي بشكل متكرر على فترات زمنية منتظمة ويمكن صيانته بسهولة أثناء عمر خدمته. ومع ذلك، قد تكون هذه مشكلة إذا كان يجب أن يظل القطب الكهربائي مغمورًا على الإنترنت لفترة طويلة من الوقت، أو كان غير قابل للوصول لقيود معينة تتعلق بطبيعة القياسات نفسها (القياسات الجيوكيميائية تحت ضغط ماء مرتفع في بيئات قاسية أو في ظل ظروف خالية من الأكسجين أو الاختزال والتي تتأثر بسهولة بدخول الأكسجين الجوي أو تغيرات الضغط).

يظل القطب المرجعي عاملاً حاسماً بالنسبة لأقطاب ISFET، كما هو الحال بالنسبة لأقطاب الزجاج التقليدية. عند استكشاف أعطال الأقطاب وإصلاحها، غالبًا ما يتعين البحث عن معظم المشكلات من جانب القطب المرجعي.

ضوضاء التردد المنخفض لـ ISFET

بالنسبة لأجهزة الاستشعار القائمة على ISFET، فإن الضوضاء منخفضة التردد هي الأكثر ضررًا لنسبة الإشارة إلى الضوضاء الإجمالية لأنها يمكن أن تتداخل مع الإشارات الطبية الحيوية التي تمتد في نفس نطاق التردد. [3] الضوضاء لها ثلاثة مصادر رئيسية. يشار إلى مصادر الضوضاء خارج ISFET نفسها باسم الضوضاء الخارجية، مثل التداخل البيئي وضوضاء الجهاز من دوائر قراءة الطرفية. تشير الضوضاء الجوهرية إلى تلك التي تظهر في الجزء الصلب من ISFET، والتي تنجم بشكل أساسي عن احتجاز وإزالة احتجاز الناقلات عند واجهة أكسيد / سيليكون. والضوضاء الخارجية متجذرة بشكل عام في واجهة السائل / الأكسيد الناتجة عن التبادل الأيوني عند واجهة السائل / الأكسيد. تم اختراع العديد من الطرق لقمع ضوضاء ISFET. على سبيل المثال، لقمع الضوضاء الخارجية، يمكننا دمج ترانزستور الوصلة ثنائية القطب مع ISFET لتحقيق التضخيم الداخلي لتيار الاستنزاف على الفور. [4] ولإخماد الضوضاء الجوهرية، يمكننا استبدال واجهة أكسيد/سيليكون الصاخبة ببوابة تقاطع شوتكي. [5]

تاريخ

الأساس لـ ISFET هو MOSFET . درس المهندس الهولندي بيت بيرجفيلد ، في جامعة توينتي، MOSFET وأدرك أنه يمكن تكييفه ليكون مستشعرًا للتطبيقات الكهروكيميائية والبيولوجية . [ 6] [1] أدى هذا إلى اختراع بيرجفيلد لـ ISFET في عام 1970. [7] [6] ووصف ISFET بأنه "نوع خاص من MOSFET مع بوابة على مسافة معينة". [1] كان أقدم FET للمستشعر الحيوي (BioFET). [8]

يمكن تنفيذ أجهزة استشعار ISFET في الدوائر المتكاملة القائمة على تقنية CMOS (MOS التكميلية). تُستخدم أجهزة ISFET على نطاق واسع في التطبيقات الطبية الحيوية ، مثل اكتشاف تهجين الحمض النووي ، واكتشاف المؤشرات الحيوية من الدم ، واكتشاف الأجسام المضادة ، وقياس الجلوكوز واستشعار الرقم الهيدروجيني . [2] كما أن ISFET هو الأساس لأجهزة BioFET اللاحقة، مثل ترانزستور تأثير المجال DNA (DNAFET)، [2] [7] المستخدم في التكنولوجيا الوراثية . [2]

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ abc Bergveld, Piet (أكتوبر 1985). "تأثير أجهزة الاستشعار القائمة على MOSFET" (PDF) . أجهزة الاستشعار والمشغلات . 8 (2): 109–127. رمز Bibcode :1985SeAc....8..109B. doi :10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN  0250-6874.
  2. ^ abcd Schöning, Michael J.; Poghossian, Arshak (10 September 2002). "Recent progresses in biologically sensitically sensitized field-effect transistors (BioFETs)" (PDF) . Analyst . 127 (9): 1137–1151. Bibcode :2002Ana...127.1137S. doi :10.1039/B204444G. ISSN  1364-5528. PMID  12375833.
  3. ^ Bedner, Kristine; Guzenko, Vitaliy A.; Tarasov, Alexey; Wipf, Mathias; Stoop, Ralph L.; Rigante, Sara; Brunner, Jan; Fu, Wangyang; David, Christian; Calame, Michel; Gobrecht, Jens (فبراير 2014). "التحقيق في مصدر الضوضاء السائد 1/f في أجهزة استشعار الأسلاك النانوية السيليكونية". أجهزة الاستشعار والمحركات ب: الكيمياء . 191 : 270-275. doi :10.1016/j.snb.2013.09.112. ISSN  0925-4005.
  4. ^ Zhang, Da; Gao, Xindong; Chen, Si; Norström, Hans; Smith, Ulf; Solomon, Paul; Zhang, Shi-Li; Zhang, Zhen (2014-08-25). "مضخم ثنائي القطب ببوابة أيونية لاستشعار الأيونات مع إشارة محسنة وأداء ضوضاء محسّن". رسائل الفيزياء التطبيقية . 105 (8): 082102. doi :10.1063/1.4894240. ISSN  0003-6951.
  5. ^ تشن، شي؛ تشن، سي؛ هو، تشي تاو؛ تشانغ، شي لي؛ سليمان، بول؛ تشانغ، زين (2019-02-22). "تقليل ضوضاء الجهاز لأجهزة الاستشعار القائمة على ترانزستور تأثير المجال النانوي السليكوني باستخدام بوابة تقاطع شوتكي". أجهزة استشعار ACS . 4 (2): 427-433. doi :10.1021/acssensors.8b01394. ISSN  2379-3694. PMID  30632733. S2CID  58624034.
  6. ^ ab Bergveld, P. (يناير 1970). "تطوير جهاز الحالة الصلبة الحساس للأيونات للقياسات العصبية الفسيولوجية". معاملات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات للهندسة الطبية الحيوية . BME-17 (1): 70–71. doi :10.1109/TBME.1970.4502688. PMID  5441220.
  7. ^ ab Chris Toumazou; Pantelis Georgiou (ديسمبر 2011). "40 عامًا من تكنولوجيا ISFET: من الاستشعار العصبي إلى تسلسل الحمض النووي". رسائل الإلكترونيات . 47 : S7. doi :10.1049/el.2011.3231 . تم الاسترجاع في 13 مايو 2016 .
  8. ^ بارك، جيهو؛ نجوين، هوانج هييب؛ ووبيت، عبد الله؛ كيم، مونيل (2014). "تطبيقات أجهزة الاستشعار البيولوجية من نوع ترانزستور التأثير الميداني". العلوم التطبيقية وتكنولوجيا التقارب . 23 (2): 61-71. doi : 10.5757/ASCT.2014.23.2.61 . ISSN  2288-6559. S2CID  55557610.

فهرس

  • بيرجفيلد، ب. (2003). "ثلاثون عامًا من علم ISFETOLOGY، ما حدث في الثلاثين عامًا الماضية وما قد يحدث في الثلاثين عامًا القادمة". أجهزة الاستشعار والمشغلات ب: الكيميائية . 88 : 1-20. doi : 10.1016/S0925-4005(02)00301-5.
  • بيرجفيلد، ب. (2003). ISFET، النظرية والتطبيق (PDF) . مؤتمر معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات للمستشعرات، أكتوبر 2003. تورنتو: معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. ص. 26.
  • أجهزة استشعار الرقم الهيدروجيني ISFET

قراءة إضافية

  • روثبيرج، جونثان م (2011). "جهاز أشباه الموصلات المتكامل الذي يتيح تسلسل الجينوم غير البصري". نيتشر . 475 (7356): 348-52. doi : 10.1038/nature10242 . ISSN  1476-4687. PMID  21776081.
  • بيرجفيلد، ب. (1985). "تأثير أجهزة الاستشعار القائمة على MOSFET". أجهزة الاستشعار والمشغلات . 8 (2): 109-127. رمز Bibcode :1985SeAc....8..109B. doi :10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN  0250-6874.
  • بيرجفيلد، ب. (1986). "تطوير وتطبيق أجهزة الاستشعار الحيوية القائمة على ترانزستور التأثير الميداني". أجهزة الاستشعار الحيوية . 2 (1): 15-33. doi :10.1016/0265-928X(86)85010-6. ISSN  0265-928X. PMID  3790175.
  • بيرجفيلد، ب. (1991). "تقييم نقدي لطرق الكشف عن البروتين الكهربائي المباشر". أجهزة الاستشعار الحيوية والإلكترونيات الحيوية . 6 (1): 55-72. doi :10.1016/0956-5663(91)85009-L. ISSN  0956-5663. PMID  2049171.
  • بيرجفيلد، ب. (2003). "ثلاثون عامًا من علم ISFETOLOGY: ما حدث في الثلاثين عامًا الماضية وما قد يحدث في الثلاثين عامًا القادمة". أجهزة الاستشعار والمشغلات ب: الكيمياء . 88 (1): 1-20. doi :10.1016/S0925-4005(02)00301-5. ISSN  0925-4005.
  • بيرجفيلد، ب. (2003). ISFET، النظرية والتطبيق (PDF) . مؤتمر معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات للاستشعار في تورنتو، أكتوبر 2003. تورنتو: معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. ص. 26 ص. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2008-08-20.
  • Bergveld, P; A Van den Berg; PD Van der Wal; M Skowronska-Ptasinska; EJR Sudhölter; DN Reinhoudt (1989). "كيف قد تتطابق المتطلبات الكهربائية والكيميائية لـ REFETs". أجهزة الاستشعار والمشغلات . 18 (3-4): 309-327. doi :10.1016/0250-6874(89)87038-6. ISSN  0250-6874.
  • تشودي، م؛ دبليو فروبلوسكي؛ زي برزوزكا (1999). "نحو REFET". أجهزة الاستشعار والمحركات ب: الكيميائية . 57 (1-3): 47-50. دوى :10.1016/S0925-4005(99)00134-3. ISSN  0925-4005.
  • شودي، ميشال؛ فويتشخ فروبلوفسكي؛ زبيغنيو برزوزكا (1999). "نحو REFET". أجهزة الاستشعار والمحركات ب: الكيميائية . 57 (1-3): 47-50. دوى :10.1016/S0925-4005(99)00134-3. ISSN  0925-4005.
  • كولينز، إس دي (1993). "الحدود العملية لأقطاب مرجعية الحالة الصلبة". أجهزة الاستشعار والمشغلات ب: الكيمياء . 10 (3): 169-178. doi :10.1016/0925-4005(93)87002-7. ISSN  0925-4005.
  • Duroux, P; C Emde; P Bauerfeind; C Francis; A Grisel; L Thybaud; D Armstrong; C Depeursinge; AL Blum (1991). "الترانزستور الحساس لتأثير المجال الأيوني (ISFET) قطب الأس الهيدروجيني: مستشعر جديد لمراقبة الأس الهيدروجيني المتنقلة على المدى الطويل". Gut . 32 (3): 240–245. doi :10.1136/gut.32.3.240. ISSN  0017-5749. PMC 1378826.  PMID 2013417  .
  • الرشيد، أ.؛ ج. باوسيل؛ ن. جافريزيك-رينو (1999). "تحليل REFET بسيط للكشف عن الرقم الهيدروجيني في الوضع التفاضلي". أجهزة الاستشعار والمشغلات ب: الكيمياء . 60 (1): 43-48. doi :10.1016/S0925-4005(99)00242-7. ISSN  0925-4005.
  • غلاب، ي.ح؛ و. بدوي؛ ك. في. آي. إس. كالر. "مستشعر جديد لدرجة الحموضة باستخدام دائرة قراءة وضع التيار التفاضلي ISFET". وقائع المؤتمر الدولي حول MEMS وNANO والأنظمة الذكية . المؤتمر الدولي حول MEMS وNANO والأنظمة الذكية. بانف، ألبرتا، كندا. ص. 255-258. doi :10.1109/ICMENS.2003.1222002.
  • جوث، يو؛ إف جيرلاش؛ إم ديكر؛ دبليو أويلسنر؛ دبليو فوناو (2009). "أقطاب مرجعية صلبة لأجهزة استشعار الجهد الكهربي". مجلة الكيمياء الكهربية للحالة الصلبة . 13 (1): 27-39. doi :10.1007/s10008-008-0574-7. ISSN  1432-8488. S2CID  94301958.
  • هوانج، آي يو. "مجموعة أبحاث أجهزة الاستشعار الكيميائية" . تم الاسترجاع في 2010-11-01 . {{cite journal}}: تتطلب المجلة الاستشهاد بها |journal=( مساعدة )
  • هوانج، آي يو؛ روي-شينغ هوانج؛ ليه-هسي لو (2002). "تقنية ISFET جديدة منظمة مع قطب كهربائي متكامل من Ti/Pd/Ag/AgCl واتصالات P+ دقيقة على الجانب الخلفي". مجلة المعهد الصيني للمهندسين . 25 (3): 327-334. doi :10.1080/02533839.2002.9670707. S2CID  109790089. مؤرشف من الأصل في 2011-07-03 . تم الاسترجاع في 2010-11-01 .
  • كال، س.؛ بهانو، بي في (2007). تصميم ونمذجة ISFET لاستشعار الرقم الهيدروجيني . مؤتمر TENCON 2007 - 2007 IEEE Region 10. تايبيه. ص. 1-4. doi :10.1109/TENCON.2007.4428805. ISBN 978-1-4244-1272-3.
  • كيسيل، آنا؛ أجاتا ميخالسكا؛ كريستوف ماكسيميوك (سبتمبر 2007). "أقطاب مرجعية بلاستيكية وخلايا جهدية بلاستيكية مع أغشية مبنية على بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) وبولي (كلوريد الفينيل) المصبوب بالتشتت". الكيمياء الحيوية الكهربائية . 71 (1): 75-80. doi :10.1016/j.bioelechem.2006.09.006. ISSN  1567-5394. PMID  17107827.
  • Lee, YC; BK Sohn (2002). "تطوير قطب مرجعي من نوع FET للكشف عن الرقم الهيدروجيني". مجلة الجمعية الفيزيائية الكورية . 40 (4): 601-604. Bibcode :2002JKPS...40..601Y. doi :10.3938/jkps.40.601. ISSN  0374-4884.
  • Lisdat, F.; W. Moritz (أغسطس 1993). "عنصر مرجعي قائم على بنية الحالة الصلبة". Sensors and Actuators B: Chemical . 15 (1–3): 228–232. doi :10.1016/0925-4005(93)85057-H. ISSN  0925-4005.
  • Skowronska-Ptasinska, M; PD Van Der Wal; A Van Den Berg; P Bergveld; EJR Sudhölter; DN Reinhoudt (1990). "ترانزستورات تأثير المجال المرجعية القائمة على ISFETs المعدلة كيميائيًا". Analytica Chimica Acta . 230 : 67–73. doi :10.1016/s0003-2670(00)82762-2. ISSN  0003-2670.
  • سوزوكي، هيرواكي؛ تايشي هيراكاوا؛ ساتوشي ساساكي؛ إيساو كاروبي (15 فبراير 1998). "إلكترود مرجعي من الفضة/كلوريد الفضة بوصلة سائلة دقيقة التصنيع". أجهزة استشعار ومشغلات ب: كيميائي . 46 (2): 146-154. doi :10.1016/S0925-4005(98)00110-5. ISSN  0925-4005.
  • فان دن بيرج، أ؛ أ. جريسيل؛ سمو فان دن فليكرت؛ إن إف دي رويج (يناير 1990). “قطب مرجعي ذو حجم صغير مفتوح للوصلات السائلة لـ pH-ISFETs”. أجهزة الاستشعار والمحركات ب: الكيميائية . 1 (1-6): 425-432. دوى :10.1016/0925-4005(90)80243-S. ISSN  0925-4005.
  • فوناو، دبليو؛ دبليو أويلسنر؛ يو جوث؛ جيه هينز (17 فبراير 2010). "إلكترود مرجعي كامل من الحالة الصلبة". أجهزة الاستشعار والمشغلات ب: كيميائي . 144 (2): 368-373. doi :10.1016/j.snb.2008.12.001. ISSN  0925-4005.
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ISFET&oldid=1241351262"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate