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Publicação
Production and electrical characterization of microsensors for marine mutagens and carcinogens monitoring
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 4.42 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Field effect-based devices (FED) show several advantages when implemented as biosensors, such as
small dimensions, fast response, low-cost mass production and easy integration with CMOS or TFT technol-
ogies. However, conventional architectures have some inherent drawbacks that hinder further miniaturisation.
Recently, a charge-modulated field-effect transistor (CMFET) architecture has been developed, following the
operation principle of the floating-gate transistor, used in memory devices, having a control-gate functioning
as reference electrode and a sensing area activated by charge induction, which modulates the channel of an
integrated MOS transistor. This work focuses on the development and optimization of CMFET sensor archi-
tecture produced for the first time on eco-friendly and flexible paper substrates. The performance of these
paper based CMFETS was then compared with the previously developed sensors produced on substrates such
as Corning glass and polyethylene naphthalate (PEN), which shared an identical fabrication process already
established at CENIMAT|I3N. Measurement and analysis protocols were created and optimized to assess the
sensors’ performance and establish a comprehensive comparison between sensors fabricated on different sub-
strates. Furthermore, an alternative connecting topology was tested for the developed charge-modulated field-
effect sensing architecture, with results of sensitivity scaling up to 300% relative to the values obtained with
the standard connecting topology, identical to the ones reported in the literature. Although it was not possible
to attain a batch of devices without considerable variability in capacitance, sensors on paper substrates were
capable of outputting distinct current levels for each pH buffer solution tested (7, 4 and 10) exhibiting a sen-
sitivity of 14 ± 2 mV/pH (Whatman paper) and 32 ± 6 mV/pH (CelSmartSense paper), relative to 33 ± 3
mV/pH obtained for sensors produced on Corning glass and 28 ± 2 mV/pH for sensors on PEN substrate,
improving the sensitivity and signal to noise ratio previously reported for this architecture.
Dispositivos baseados em efeito de campo (FED) apresentam inúmeras vantagens quando implemen- tados como biossensores, entre as quais, reduzidas dimensões, resposta rápida, produção em massa de baixo custo e fácil integração com tecnologias CMOS ou TFT. No entanto, as arquiteturas mais comuns apresentam algumas desvantagens que criam uma barreira ao processo de miniaturização. Recentemente foi desenvolvida uma arquitetura sensorial baseada em modulação de cargas por efeito de campo (CMFET), que segue o prin- cípio de operação do transístor de porta flutuante, utilizado em dispositivos de memória, fazendo uso de um elétrodo de controlo e uma área sensível ativada por indução de cargas, que modula o canal de condução de um transístor MOS integrado. Este trabalho foca o desenvolvimento e caracterização elétrica de sensores ba- seados na arquitetura CMFET em substratos de papel ecológicos e flexíveis. A performance destes sensores foi por sua vez comparada com sensores fabricados substratos de referência como vidro Corning e naftalato de polietileno (PEN), que partilharam um processo de fabricação idêntico, já estabelecido no CENIMAT|I3N. Protocolos de medição e análise foram criados e otimizados para comparar o desempenho dos sensores fabri- cados em diferentes substratos. Além disto, um esquema de conexão alternativo foi testado para esta arquite- tura de sensores, exibindo resultados de sensibilidade que escalaram 300% face a resultados testados com a conexão standard, idênticos aos reportados na literatura. Embora não tenha sido possível produzir lotes de dispositivos sem uma variabilidade considerável na sua capacitância, os sensores fabricados foram capazes de produzir níveis de corrente distintos para cada pH testado (4,7 e 10), exibindo uma sensibilidade de 14 ± 2 mV/pH (papel Whatman) e 32 ± 6 mV/pH (papel CelSmartSense), em relação a 33 ± 3 mV/pH, valor obtido com sensores produzidos em vidro corning e 28 ± 2 mV/pH para sensores produzidos em substrato de PEN, melhorando a sensibilidade conseguida anteriormente com esta arquitetura.
Dispositivos baseados em efeito de campo (FED) apresentam inúmeras vantagens quando implemen- tados como biossensores, entre as quais, reduzidas dimensões, resposta rápida, produção em massa de baixo custo e fácil integração com tecnologias CMOS ou TFT. No entanto, as arquiteturas mais comuns apresentam algumas desvantagens que criam uma barreira ao processo de miniaturização. Recentemente foi desenvolvida uma arquitetura sensorial baseada em modulação de cargas por efeito de campo (CMFET), que segue o prin- cípio de operação do transístor de porta flutuante, utilizado em dispositivos de memória, fazendo uso de um elétrodo de controlo e uma área sensível ativada por indução de cargas, que modula o canal de condução de um transístor MOS integrado. Este trabalho foca o desenvolvimento e caracterização elétrica de sensores ba- seados na arquitetura CMFET em substratos de papel ecológicos e flexíveis. A performance destes sensores foi por sua vez comparada com sensores fabricados substratos de referência como vidro Corning e naftalato de polietileno (PEN), que partilharam um processo de fabricação idêntico, já estabelecido no CENIMAT|I3N. Protocolos de medição e análise foram criados e otimizados para comparar o desempenho dos sensores fabri- cados em diferentes substratos. Além disto, um esquema de conexão alternativo foi testado para esta arquite- tura de sensores, exibindo resultados de sensibilidade que escalaram 300% face a resultados testados com a conexão standard, idênticos aos reportados na literatura. Embora não tenha sido possível produzir lotes de dispositivos sem uma variabilidade considerável na sua capacitância, os sensores fabricados foram capazes de produzir níveis de corrente distintos para cada pH testado (4,7 e 10), exibindo uma sensibilidade de 14 ± 2 mV/pH (papel Whatman) e 32 ± 6 mV/pH (papel CelSmartSense), em relação a 33 ± 3 mV/pH, valor obtido com sensores produzidos em vidro corning e 28 ± 2 mV/pH para sensores produzidos em substrato de PEN, melhorando a sensibilidade conseguida anteriormente com esta arquitetura.
Descrição
Palavras-chave
field effect pH sensor cellulose-based eco-friendly flexible substrate