Sensor de iones basado en medida diferencial, método de fabricación y método de medida.

Sensor de iones basado en medida diferencial, método de fabricación y método de medida.



Se describe un sensor de iones y su método de fabricación que comprende un primer y un segundo transistor de efecto de campo selectivo a iones, un electrodo, un sustrato sobre cuya superficie se integran los dos transistores, unas pistas de conexión y el electrodo y una estructura adherida sobre el primer transistor que crea un microdepósito, lleno de una solución de referencia, con un microcanal que conecta con el exterior, así como un método de medida, que permite alargar la vida útil de dicho sensor, y que mientras éste no está siendo utilizado, se encuentra inmerso en un recipiente lleno de la solución de referencia, que permite alargar la vida útil de dicho sensor. La aplicación más habitual de este sensor es la medida de iones.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201430180.

Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC).

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: LLOBERA ADAN,ANDREU, DOMINGUEZ HORNA,CARLOS, FERNANDEZ SANCHEZ,CESAR, MERLOS DOMINGO,ANGEL, JIMENEZ JORQUERA,CECILIA, BALDI COLL,Antoni, CADARSO BUSTO,Alfredo, BURDALLO BAUTISTA,Isabel, VERA GRAS,Ferrán.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B81B7/00 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B81 TECNOLOGIA DE LAS MICROESTRUCTURAS.B81B DISPOSITIVOS O SISTEMAS DE MICROESTRUCTURA, p. ej. DISPOSITIVOS MICROMECANICOS (elementos piezoeléctricos, electroestrictivos o magnetoestrictivos en sí H01L 41/00). › Sistemas de microestructura.
  • G01N27/414 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 27/00 Investigación o análisis de materiales mediante el empleo de medios eléctricos, electroquímicos o magnéticos (G01N 3/00 - G01N 25/00 tienen prioridad; medida o ensayo de variables eléctricas o magnéticas o de las propiedades eléctricas o magnéticas de los materiales G01R). › Transistores de efecto de campo sensibles a los iones o a los agentes químicos, es decir ISFETS o CHEMFETS.
Sensor de iones basado en medida diferencial, método de fabricación y método de medida.

Fragmento de la descripción:

OBJETO DE LA INVENCiÓN

La presente invención se refiere a un sensor de iones basado en medida diferencial y al método de fabricación del mismo. Dicho sensor realiza la medida de la concentración de 10 determinados iones de una solución mediante transistores ISFET (transistor de efecto campo selectivo a iones) y compara dicha medida con la de una solución de referencia que almacena en un microdepósito, realizándose dicha medida mediante un transistor ISFET cuya puerta se mantiene en contacto con dicha solución de referencia, también llamado transistor REFET (transistor de efecto campo que no responde a la concentración de iones) ,

y que por tanto presenta respuesta nula a los iones que se van a medir.

El campo técnico en el que se enmarca la presente invención es el del sector de las tecnologías físicas y su aplicación más habitual es para la medida de iones, por ejemplo del pH (concentración de iones hidrógeno en una solución) , en diversos sectores como la alimentación y la biomedicina.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

En el estado de la técnica actual, la medida de concentraciones de diversos iones de un medio se ha venido realizando de muy diversas maneras. Una de las técnicas más ampliamente utilizadas es mediante el uso de tiras reactivas. Estas tiras reactivas son tiras de papel con diferentes zonas que se colorean en contacto con soluciones acuosas, tomando colores diferentes en función de la concentración de iones concretos de la solución de medida. Para identificar la concentración de los iones de la solución, tras mojar la tira con la misma, el usuario deberá comparar los colores obtenidos con los de una tabla proporcionada por el fabricante. El resultado de esta técnica de medida depende mucho de la correcta manipulación por parte del usuario y de factores como: la presencia de proteínas en la muestra, el tiempo de reacción de la tira con la muestra, o la homogeneidad de la muestra. Una incorrecta manipulación genera muchos falsos resultados (positivos y

negativos) . Además la resolución de esta técnica se considera generalmente que es de 0.5 unidades, para el caso concreto de la medida del pH, la cual carece de suficiente valor

diagnóstico para tomar decisiones clínicas en algunas aplicaciones biomédicas como en la Urolitiasis (Kwong T. et al. "Accuracy of urine pH testing in a regional metabolic renal clinic: is the dipstick enough? Urolithiasis 2013) .

La técnica de medida estándar de la concentración de iones es la Absorción Atómica. Sin embargo esta técnica requiere una instalación compleja y no es factible su miniaturización.

Los electrodos selectivos a iones (Ion Selective electrodes, ISEs) se utilizan para medidas más sencillas en cuanto a equipamiento y son menos costosas. Estos electrodos constan de una membrana selectiva de forma que mediante el intercambio o interacción de los iones de la solución con la membrana, se convierte la actividad del Ión en un potencial eléctrico. La membrana selectiva puede ser de varios tipos, de vidrio, cristalina o basada en compuestos de intercambio iónico. Estas últimas constan de un pOlímero (por ejemplo, cloruro de polivinilo, PVC) que inmoviliza el compuesto selectivo a iones. La medida del potencial eléctrico de los ISEs requiere del uso de un electrodo de referencia, que frecuentemente está integrado en el mismo cuerpo del ISE (electrodos combinados) . El electrodo de referencia es, generalmente, un electrodo metálico inmerso en una solución de referencia que a su vez está conectada a la solución a medir a través de una unión líquida. La característica principal del electrodo de referencia es que su potencial, es decir, el potencial entre el interior del metal y el seno de la solución en la que se sumerge, no depende de la composición de dicha solución. Los electrodos de referencia suelen tener pérdidas de solución de referencia a través de la unión líquida, por lo que necesitan un rellenado periódico de la misma.

Para obtener medidas precisas, estos electrodos requieren de un calibrado previo que consiste en la medida del potencial generado cuando el electrodo está inmerso en una solución de concentración iónica conocida. Estos electrodos forman parte de un instrumento, que en el caso del pH es conocido como pHmetro, que no es barato de fabricar, ni portable, ni autónomo, y requiere de unas condiciones de mantenimiento y limpieza específicas para su adecuada conselVación. El resultado de esta técnica de medida también depende de la correcta manipulación por parte del usuario (que debe estar adecuadamente formado para tal fin) . Una incorrecta manipulación o conservación de los electrodos puede generar falsos resultados.

Otro tipo de sensores empleados para esta clase de medidas son los sensores tipo ISFET (transistor de efecto campo selectivo a iones) . Éstos son dispositivos fabricados mediante tecnología microelectrónica. El potencial de la solución (que es el potencial de puerta del transistor) se controla mediante un electrodo de referencia como los utilizados para la medida con electrodos tipo ISE. El ISFET es un transistor de efecto campo cuya tensión umbral varia con la concentración de iones de la solución que está en contacto con su dieléctrico de puerta. Para muchos tipos de dieléctricos (Si02, Si3N4, A1203, Ta205, Zr02) , la variación de tensión umbral del ISFET depende principalmente del ion W, y por ello se utiliza como sensor de pH. Para realizar sensores de otros iones en base al ISFET se deposita sobre la capa de dieléctrico de puerta una capa adicional llamada membrana selectiva como se describe en US5250168. Dependiendo de la membrana depositada, el ISFET funcionará como un sensor para unos iones específicos u otros. La medida con estos sensores consiste en registrar los cambios de tensión umbral del transistor de efecto campo, que son proporcionales a los cambios de la concentración de iones que se desean medir. Una manera de medir los cambios de tensión umbral del ISFET es mediante un circuito que polariza el dispositivo con una corriente de drenador constante y una tensión de drenador a fuente constante. De esta manera, los cambios de tensión de puerta que aplica el circuito para mantener dicha polarización, son iguales a los cambios de tensión umbral sufridos por el ISFET. Por ello, la tensión de puerta aplicada por el circuito se toma como señal de salida Tanto los sistemas de medida basados en electrodos ISE como los basados en ISFET requieren de un electrodo de referencia para poder medir los iones. Esto hace que sean caros y requieran de un mantenimiento periódico. En el año 1978 se describió una solución para la medida de pH con dispositivos tipo ISFET sin electrodo de referencia (P.A. Comte and J. Janata, "A field effect transistor as a solid-state reference electrode", Analytica Chimica Acta) que consistía en la medida diferencial de un ISFET y un REFET. En este caso el REFET está constituido por un ISFET cuya puerta se mantiene expuesta a un pH constante. La medida diferencial consiste en medir los cambios de tensión umbral de ambos dispositivos utilizando un solo electrodo inmerso en la solución como terminal de puerta y obtener la respuesta como resta de los dos valores obtenidos. La puerta del REFET se mantiene expuesta a un pH constante mediante la incorporación de un microdepósito lleno de solución de referencia (solución interna) . Dicho microdepósito está conectado con el exterior mediante un microcanal que hace de unión líquida, de manera que la diferencia de potencial entre la solución exterior y la de referencia es pequeña y se ve poco influenciada por el pH o la concentración de otros iones en la solución exterior. De esta manera, los cambios de potencial que se producen entre el electrodo y la solución se trasladan a ambos valores de tensión umbral, y por lo tanto no tienen impacto en el valor diferencial (se cancelan en la operación de resta) . Por este motivo, este sistema de medida diferencial se puede implementar con cualquier electrodo conductor, sin necesidad de que sea de referencia. Dado que el REFET está expuesto a una solución de pH constante, la variación en el valor diferencial será equivalente a la respuesta del ISFET al cambio de pH. No obstante, la manera de fabricar el REFET descrita por Compte y Janata, es difícilmente automatizable, y por lo tanto no permitiría fabricar los sensores a un coste muy inferior al de los ISFETs con electrodo de referencia, lo cual no permitiría que su precio fuese asequible al público en general. Además en el diseño del sensor ISFET-REFET descrito por Compte y Janata, el microdepósito del REFET se construye con una resina de epóxido. Este microdepósito, una vez curada la resina, se rellena un gel de agarosa preparado en solución tampón....

 


Reivindicaciones:

1. Sensor de iones basado en medida diferencial, caracterizado por que comprende:

• un primer transistor de efecto de campo selectivo a iones y al menos un segundo transistor de efecto de campo selectivo a iones, conectados eléctricamente mediante unas pistas de conexión a un circuito de medida;

• un electrodo;

• al menos un chip sobre cuya superficie se integran los transistores de efecto de campo selectivos a iones;

• una estructura adherida sobre el primer transistor de efecto de campo selectivo a iones configurada para crear un microdepósito sobre una puerta del primer transistor, estando el microdepósito lleno de la solución de referencia;

• al menos un microcanal que conecta el microdepósito con el exterior, estando el al menos un microcanal lleno de la solución de referencia;

• un sustrato sobre el que se integra el al menos un chip, las pistas de conexión y el electrodo; y,

• un material encapsulante que aísla completamente las pistas de conexión y parcialmente el primer y segundo transistor de efecto de campo selectivo a iones de la solución a medir.

2. Sensor de iones basado en medida diferencial, según la reivindicación 1, caracterizado por que la solución de referencia está contenida en un hidrogel .

3. Sensor de iones basado en medida diferencial, según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el primer transistor de efecto de campo selectivo a iones se integra en un primer chip y al menos un segundo transistor de efecto de campo selectivo a iones se integra en un segundo chip.

4. Sensor de iones basado en medida diferencial, según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el primer transistor de efecto de campo selectivo a iones y el segundo transistor de efecto de campo selectivo a iones se integran en un mismo chip.

5. Sensor de iones basado en medida diferencial, según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el primer y segundo transistor de efecto campo selectivo a iones, las pistas de conexión, el electrodo y una parte del circuito de medida se integran en un mismo chip.

6. Sensor de iones basado en medida diferencial, según la reivindicación 3 o 4, caracterizado por que la conexión de unos puntos de conexión del chip con las pistas de conexión se realiza mediante soldadura por hilo.

7. Sensor de iones basado en medida diferencial, según la reivindicación 6, caracterizado por que los chips están encapsulados mediante un polímero, quedando cubiertos mediante el polímero los hilos y las pistas de conexión y quedando descubiertos las puertas del primer y segundo transistor de efecto de campo y la salida del microcanal.

8. Sensor de iones basado en medida diferencial, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la estructura adherida sobre el primer transistor de efecto de campo selectivo a iones es al menos parcialmente de un material permeable a gases e impermeable a la solución de referencia.

9. Sensor de iones basado en medida diferencial, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el microcanal es una hendidura realizada en el chip sobre que el que se integra el primer transistor de efecto de campo selectivo a iones.

10. Sensor de iones basado en medida diferencial, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que el microcanal forma parte de la estructura adherida sobre el primer transistor de efecto de campo selectivo a iones 11. Sensor de iones basado en medida diferencial, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el microdepósito tiene un volumen entre 0.001 mm3 y 1 mm3, y el microcanal tiene una sección de entre 1 micrómetro cuadrado y 10000 micrómetros cuadrados y una longitud entre 10 micras y 1 mm.

12. Sensor de iones basado en medida diferencial, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 y 9 a 11, caracterizado por que el microcanal dispone de unos medios de sellado externos y removibles para sellar el contenido del microdepósito y del microcanal.

13. Sensor de iones basado en medida diferencial, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los chips están fabricados de silicio sobre aislante.

14. Método de medida de iones mediante el sensor descrito en la reivindicación 1, caracterizado por que comprende las siguientes fases: -introducir el sensor en un recipiente de acondicionamiento lleno de una solución de referencia para que un microdepósito se llene o empape de dicha solución, -retirar el sensor del recipiente de acondicionamiento, enjuagar, y sumergir en una solución a medir,

-medir con el sensor la solución a medir

-limpiar el sensor

-volver a insertar el sensor en el recipiente de acondicionamiento para que la solución del microdepósito se equilibre con la solución del recipiente y vuelva a su concentración de iones original.

15. Método de medida de iones mediante el sensor, según la reivindicación 14, caracterizado por que la solución a medir se encuentra situada dentro de un recipiente de medida.

16. Método de fabricación del sensor de iones basado en medida diferencial, descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que comprende las siguientes fases:

-integrar equiespaciadamente una pluralidad de primeros transistores de efecto de campo selectivos a iones sobre una primera oblea;

-acoplar una estructura de material soldable sobre la primera oblea, creando una pluralidad de microdepósitos y de microcanales equiespaciados en correspondencia con los primeros transistores de efecto de campo selectivos a iones, de manera que se sitúe cada microdepósito en correspondencia y alineado con cada primer transistor de efecto de campo selectivo a iones;

-cortar la primera oblea transversalmente creando chips, donde cada chip comprende un primer transistor de efecto de campo selectivo a iones y una estructura con un microdepósito y al menos un microcanal;

-fijar sobre un sustrato un chip, al menos un segundo transistor de efecto de campo, el electrodo y las pistas de conexión;

-conectar la pistas de conexión al primer y segundo transistor de efecto de campo y encapsular el primer y segundo transistor de efecto de campo y las pistas de conexión.

17. Método de fabricación del sensor de iones basado en medida diferencial, según la reivindicación 16, caracterizado por que comprende adicionar una pluralidad de capas de material soldable sometidas a un proceso de fotolitografía sobre la primera oblea, para generar la estructura de material soldable con los microdepósitos y microcanales.

18. Método de fabricación del sensor de iones basado en medida diferencial, según la reivindicación 16, caracterizado por que comprende someter previamente a la estructura de material soldable a un proceso de cajeado para la creación de los microdepósitos y los microcanales.

19. Método de fabricación del sensor de iones basado en medida diferencial, según la reivindicación 16, caracterizado por que adicionalmente se deposita material encapsulante sobre unos bordes del primer y segundo transistor de efecto de campo selectivo a iones para asilar eléctricamente el substrato del primer y segundo transistor de efecto de campo selectivo a iones 20. Método de fabricación del sensor de iones basado en medida diferencial, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que se fijan diferentes membranas selectivas a iones sobre los segundos transistores de efecto de campo selectivos a iones.


 

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