Un circuito de procesamiento de señales que comprende un transistor con efecto de campo sensible a iones un electrodo de referencia para el transistor con efecto de campo sensible a iones un transistor con efecto de campo de semi-conductor de óxido metálico,

y un circuito de polarización para polarizar el transistor con efecto de campo sensible a iones y el transistor con efecto de campos de semi-conductor de óxido metálico, para que funcionen en la región de inversión débil, y proporcionen una señal de corriente de salida, caracterizado porque dicho transistor de semi-conductor de óxido metálico tiene su puerta acoplada al electrodo de referencia

Campo de la invención

La presente invención se refiere a transistores con efecto de campo sensibles a iones y a sistemas de procesamiento y control que utilizan transistores con efecto de campo sensibles a iones.

Antecedentes de la invención

El transistor con efecto de campo sensible a iones (ISFET) está basado en un MOSFET con una puerta remota (o “electrodo de referencia”) situada por debajo del aislante químicamente sensible. La superficie del aislante está expuesta a un electrolito sobre el cual tienen que realizarse las mediciones. Un ISFET típico usa el escenario ilustrado en la Figura 1. Los efectos de campo de la interacción de carga iónica en la superficie del aislante provocan desplazamientos en la corriente de drenaje del ISFET frente a la puerta para la característica de tensión de la fuente (ID-VGS), como se ilustra en la Figura 2. El aislante en contacto con el electrolito se elige de acuerdo con sus propiedades químicas y sensibilidad a un ión particular.

Para los ISFET diseñados para medir el pH de un electrolito, es decir, el contenido de ión H+ del electrolito, se usan habitualmente membranas de nitruro de silicio y óxido de aluminio para aislar la puerta. Los ISFET pueden hacerse sensibles a iones distintos de H+ mediante la elección de la membrana sensible a iones, añadiendo de esta manera un elemento de sensibilidad de iones. Los ISFET cuya membrana está modificada para que sea selectiva a una especie iónica particular se conocen como ChemFET, con una variación adicional conocida como EnFET, usando enzimas en proximidad cercana a la superficie de la membrana. Se ha demostrado también que incluso los pH-ISFET convencionales con membranas de SI3N4 no modificadas presentan una sensibilidad medible aunque limitada a iones K+ y Na+. Es decir, las aplicaciones prácticas y comerciales de los ISFET para aplicaciones distintas de detectar pH son raras. No obstante, en el siguiente análisis, el término ISFET se usa tanto específicamente para referirse a un detector de pH como generalmente para referirse a todos los FET sensibles a iones y enzimas que funcionan con principios similares.

El atractivo de los ISFET y sus homólogos basados en FET es que son compatibles con los procedimientos de fabricación convencionales usados para producir en masa chips informáticos y, por lo tanto, pueden producirse de forma fiable y económica. Es importante que el procesamiento del circuito pueda integrarse en el mismo chip que el propio dispositivo ISFET. La integración del circuito inteligente con el propio dispositivo de detección es lo que se requiere para el desarrollo de los denominados “detectores inteligentes”, que requieren robustez para condiciones de detección no ideales, así como para proporcionar electrónica para discriminar entre los compuestos químicos “en el chip”.

El modo operativo normal de un IFSET es la región de inversión fuerte de la característica ID-VGS. En esta región, la puerta para la tensión de la fuente supera la tensión umbral VTH, dando como resultado una inversión fuerte del canal subyacente a la puerta. Para este modo de operación, la corriente de drenaje está relacionada con la tensión de la puerta mediante una ley cuadrática o una relación lineal.

Haciendo referencia de nuevo a la Figura 1, cualquier tensión aplicada al electrodo de referencia de un ISFET está acoplada de manera capacitiva a través del electrodo a la superficie del aislante, donde una carga de iones, dependiente del pH, sobre esta interfaz, modula la corriente del canal, provocando los desplazamientos observados en la característica de transferencia del ISFET, modulando de esta manera su tensión umbral Vth. Suponiendo que el ISFET funciona en el modo de corriente de drenaje constante, con un drenaje-tensión de la fuente constante, la puerta para la tensión de la fuente refleja directamente el potencial interfacial sensible a pH en la interfaz de la puerta, es decir:

pH = pHcal + Vgs/S, (1)

en la que pHcal es el pH de un líquido de calibrado a 37 ºC y S es la sensibilidad a pH del ISFET. La derivación de esta relación se detalla adicionalmente en "ISFET, Theory and Practice", P. Bergveld, IEEE Sensor Conference, Toronto, October 2003. Sin embargo, este enfoque supone una temperatura constante y, en cualquier enfoque práctico, debe aplicarse una compensación de temperatura.

El enfoque convencional para compensar las mediciones para los efectos de temperatura consiste en modelar la dependencia de la temperatura de un sistema, medir la temperatura en paralelo con el pH, y corregir el pH medido en base al modelo y la temperatura medida. Aunque eficaz, este enfoque tiene numerosas desventajas. En primer lugar, depende de la provisión de un detector de temperatura, que típicamente comprende un resistor sensible a temperatura integrado en el mismo chip que el ISFET. En segundo lugar, debe proporcionarse la energía de procesamiento para realizar la corrección. En tercer lugar, el procedimiento de corrección de los valores de pH medidos tarda un tiempo. En un sistema típico, los valores de pH y temperatura se convierten en sus equivalentes digitales, antes de realizar el procesamiento adicional con un microprocesador o CPU. Si fuera necesario, las salidas de control digital se convierten en sus equivalentes analógicos antes de la aplicación a un dispositivo a controlar.

Desde hace mucho se ha reconocido que un área clave en la que pueden aplicarse los ISFET es la de los detectores implantables y/o que pueden llevarse puestos. Los requisitos del diseño de ISFET convencional esbozados en el párrafo anterior no coinciden demasiado con dichos detectores, que tienen que ser pequeños, para consumir bajos niveles de energía y ser extremadamente precisos. Especialmente cuando los detectores forman parte de un bucle de control, por ejemplo controlando un sistema de administración de fármaco, también deben ser extremadamente precisos.

El documento US 4.795.825 describe un dispositivo para liberar una sustancia en un animal. Con referencia al circuito de la Figura 10, este comprende un ChemFET que se describe como que funciona en el modo sub-umbral (es decir, inversión débil) como un medio para conseguir un consumo de energía bajo.

Sumario de la invención

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un circuito de procesamiento de señales que comprende un transistor con efecto de campo sensible a iones un electrodo de referencia para el transistor con efecto de campo sensible a iones un transistor de semi-conductor de óxido metálico, que tiene su puerta acoplada al electrodo de referencia, y un circuito de polarización para polarizar el transistor con efecto de campo sensible a iones y el transistor con efecto de campo de semi-conductor de óxido metálico, para que funcionen en una región de inversión débil y proporcionar una señal de corriente de salida.

Las realizaciones de la invención tienen la ventaja significativa de que una salida del transistor con efecto de campo sensible a iones está compensada para los efectos de temperatura sobre el ión detectado mediante las características intrínsecas del transistor con efecto de campo sensible a iones.

Preferentemente, el transistor con efecto de campo sensible a iones el transistor con efecto de campo de semi-conductor de óxido metálico, y el circuito de polarización están integrados en un solo chip.

El circuito de procesamiento de señales puede estar configurado para determinar la concentración de ión hidrógeno de un medio al que puede exponerse el transistor o transistores con efecto de campo sensibles a iones.

El circuito de procesamiento de señales puede comprender uno o más transistores bipolares.

Un transistor con efecto de campo sensible a iones del circuito de procesamiento de señales puede estar acoplado a un transistor de semi-conductor de óxido metálico en una disposición de espejo de corriente. Preferentemente, el transistor con efecto de campo sensible a iones y el transistor de semi-conductor de óxido metálico están ajustados eléctricamente.

En ciertas realizaciones de la invención, el ISFET comprende un revestimiento de membrana sobre la puerta, teniendo la membrana una sensibilidad a la concentración de ión hidrógeno en un electrolito al que puede exponerse la membrana.

El circuito de procesamiento de señales puede comprender un circuito multiplicador-divisor dispuesto para recibir la salida del espejo de corriente... [Seguir leyendo]

1. Un circuito de procesamiento de señales que comprende un transistor con efecto de campo sensible a iones un electrodo de referencia para el transistor con efecto de campo sensible a iones un transistor con efecto de campo de semi-conductor de óxido metálico, y un circuito de polarización para polarizar el transistor con efecto de campo sensible a iones y el transistor con efecto de campos de semi-conductor de óxido metálico, para que funcionen en la región de inversión débil, y proporcionen una señal de corriente de salida, caracterizado porque dicho transistor de semi-conductor de óxido metálico tiene su puerta acoplada al electrodo de referencia.

2. Un circuito de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el transistor con efecto de campo sensible a iones el transistor con efecto de campo de semi-conductor de óxido metálico, y el circuito de polarización están integrados en un solo chip.

3. Un circuito de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el circuito de procesamiento de señales está configurado para determinar la concentración de ión hidrógeno de un medio al que puede exponerse el transistor con efecto de campo sensible a iones.

4. Un circuito de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho transistor con efecto de campo sensible a iones está acoplado a dicho transistor de semi-conductor de óxido metálico, en una disposición de espejo de corriente.

5. Un circuito de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el transistor con efecto de campo sensible a iones y el transistor de semi-conductor de óxido metálico están en concordancia eléctricamente.

6. Un circuito de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el circuito de procesamiento de señales comprende un circuito multiplicador-divisor dispuesto para recibir la salida del espejo de corriente, e invertir la señal de salida del espejo de corriente, proporcionado de esta manera una señal de salida que es directamente proporcional a la concentración de ión hidrógeno, comprendiendo el circuito multiplicador-divisor una pluralidad de transistores con efecto de campo de semi-conductor de óxido metálico, y un circuito de polarización, para polarizar estos transistores con efecto de campo de semi-conductor de óxido metálico, para que funcionen en la región de inversión débil.

7. Un circuito de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el transistor con efecto de campo sensible a iones comprende un revestimiento de membrana sobre la puerta, teniendo la membrana una sensibilidad a la concentración de ión hidrógeno de un electrolito al que puede exponerse la membrana.

8. Un procedimiento para controlar una propiedad de un medio usando un transistor con efecto de campo sensible a iones comprendiendo el procedimiento:

acoplar la puerta de un transistor con efecto de campo de semi-conductor de óxido metálico, a un electrodo de referencia para el transistor con efecto de campo sensible a iones; polarizar el transistor con efecto de campo sensible a iones y el transistor con efecto de campo de semi-conductor de óxido metálico, en la región de inversión débil; exponer el transistor con efecto de campo sensible a iones a dicho medio; y analizar una corriente de salida del transistor con efecto de campo sensible a iones que varía dependiendo de dicha propiedad.