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ES2361324T3 - Circuito de procesamiento de señales que comprende un transistor con efecto de campo sensible a iones y un procedimiento de control de una propiedad de un fluido. - Google Patents

Circuito de procesamiento de señales que comprende un transistor con efecto de campo sensible a iones y un procedimiento de control de una propiedad de un fluido. Download PDF

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ES2361324T3
ES2361324T3 ES05752509T ES05752509T ES2361324T3 ES 2361324 T3 ES2361324 T3 ES 2361324T3 ES 05752509 T ES05752509 T ES 05752509T ES 05752509 T ES05752509 T ES 05752509T ES 2361324 T3 ES2361324 T3 ES 2361324T3
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ES
Spain
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ion
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transistor
effect transistor
metal oxide
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ES05752509T
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English (en)
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Christofer Toumazou
Bhusana c/o Imperial College PREMANODE
Leila Shepherd
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DNAE Group Holdings Ltd
Original Assignee
DNAE Group Holdings Ltd
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Abstract

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.

Description

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 e invertir la señal de salida del espejo de corriente, proporcionando de esta manera una señal de salida que es directamente proporcional a la concentración de ión hidrógeno. El circuito multiplicadordivisor comprende 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.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona 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.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 ilustra esquemáticamente un ISFET en un escenario de uso típico;
La Figura 2 muestra las características ID-VGS del ISFET de la Figura 1, a diversos niveles de pH;
La Figura 3 ilustra esquemáticamente un MOSFET de silicio con canal p;
La Figura 4 ilustra un espejo de corriente que comprende un ISFET;
La Figura 5 ilustra un HCell para medir la concentración de ión hidrógeno;
La Figura 6 muestra la característica IV del Hcell de la Figura 5;
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La Figura 7 ilustra esquemáticamente un inversor CMOS; La Figura 8 muestra las características de conmutación del inversor de la Figura 7; La Figura 9 ilustra la polarización del umbral de conmutación provocado por el cambio de pH en un inversor CMOS que comprende un ISFET; La Figura 10 muestra las propiedades de conmutación de un inversor ISFET a diferentes tensiones de entrada; La Figura 11 muestra un ISFET basado en una puerta NAND y la tabla de decisión correspondiente; y La Figura 12 muestra un ISFET basado en una puerta NOR y la tabla de decisión correspondiente.
Descripción detallada de ciertas realizaciones de la invención
Un FET con canal n, como el ilustrado en la Figura 3, es un dispositivo de cuatro terminales, que consiste en un sustrato de silicio de tipo p (B) y dos pocillos de tipo n altamente dopados, conocidos como la fuente (S) y el drenaje (D). La superficie de silicio está cubierta con un aislante de dióxido de silicio. Un contacto en la puerta de polisilicio
(G) controla la carga dentro de la región bajo la superficie del aislante, entre la fuente y el drenaje, conocido como el canal.
A medida que aumenta la tensión VG aplicada a la puerta, la carga positiva se repele inicialmente desde el canal formando una capa de agotamiento sin soportes de carga móvil y una carga negativa neta. A medida que la tensión de la puerta se aumenta adicionalmente, esta capa de agotamiento se ensancha hasta que los electrones empiezan a extraerse de la fuente y drenarse hacia el canal, formando una capa de inversión. El transistor normalmente funciona por encima de una cierta tensión umbral para la que el canal está fuertemente invertido, y los electrones móviles en la capa de inversión derivan a través del canal cuando se aplica una diferencia de potencial entre el drenaje y la fuente. Como ya se ha indicado, para este modo de operación, la corriente de drenaje está relacionada con la tensión de la puerta por una ley cuadrática o una relación lineal.
El modo de operación denominado “inversión débil” implica mantener la tensión de la puerta menor que la tensión umbral, de manera que el canal esté agotado y solo exista una capa de inversión fina. En la inversión débil, la carga móvil en la capa de inversión fina es demasiado baja para contribuir significativamente a cualquier corriente de deriva a través del campo eléctrico horizontal. La corriente de drenaje en la inversión débil se debe a la difusión de los electrones a través de un gradiente de concentración entre la fuente y el drenaje. Puesto que las concentraciones de electrones en la fuente y el drenaje y a lo largo del canal están relacionadas con los potenciales de barrera en esos puntos por la distribución de Boltzmann, se deduce que la corriente de drenaje está relacionada exponencialmente con Vs, Vd y Vg respecto a Vb, escalado mediante la tensión térmica UT=kT/q o RT/F. Es decir:
Id = I0exp(VG/nUT)[exp(-VS/UT)-exp(-VD/UT)] (2)
en la que I0 es el multiplicador pre-exponencial y n es el factor de pendiente sub-umbral.
Para el ISFET, el electrodo de referencia actúa como una puerta remota y la membrana químicamente sensible depositada encima del aislante de SiO2 está expuesta directamente a la solución de muestra. La extensión de la inversión en el canal por debajo del aislante depende no solo de la tensión aplicada al electrodo de referencia, sino también de la acumulación de carga de los iones en solución sobre la membrana de detección. La acumulación de iones en la superficie de la membrana está relacionada con la concentración de las especies iónicas en la muestra mediante modelos de unión al sitio y de doble capa de Gouy-Chapman. Puesto que cualquier acumulación de carga positiva sobre la superficie de la membrana debe mirarse como una acumulación de carga negativa en el canal, los cambios en la concentración iónica de la muestra se reflejarán directamente en la corriente de drenaje de inversión débil del ISFET.
Un conocimiento de la relación entre la carga de la superficie de la membrana y la concentración de las especies, junto con el hecho de que la corriente del ISFET de inversión débil es proporcional a la carga de la superficie de la membrana, significa que pueden usarse circuitos electrónicos que realizan una manipulación matemática sencilla para obtener una relación directa entre la concentración de las especies y la corriente, incluso en ChemFET y EnFET. Adicionalmente, la sensibilidad de la corriente de ISFET de inversión débil a la concentración de iones es independiente de la temperatura, puesto que las distribuciones de Boltzmann en escala de temperatura, tanto de los electrones en el canal como de los iones en la solución, se cancelan entre sí.
La ecuación de señal mayor para la corriente de drenaje en un MOFSET polarizado en la región de inversión débil se da mediante:
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en la que β=KW/L, VTO es la tensión umbral para VBS=0 y n es el factor de pendiente sub-umbral y se supone saturación para VDS > 4UT. Esta ecuación también mantiene un ISFET invertido débilmente, puesto que todos los fenómenos químicos adicionales están representados como la modulación de su tensión de umbral mediante un potencial a través del electrolito, que es linealmente proporcional al pH. Puesto que el pH está relacionado exponencialmente con la concentración de ión hidrógeno, puede desarrollarse una relación directa entre la concentración de ión hidrógeno y la corriente del drenaje de inversión débil.
Cualquier circuito que extraiga el potencial a través del electrolito y lo convierta en una señal de corriente de inversión débil es de interés significativo para el procesamiento de señales químicas en tiempo real, puesto que la concentración de ión hidrógeno es un parámetro más natural para el procesamiento de señales que el pH. El espejo de corriente, ilustrado en la Figura 4, es el más sencillo de dichos circuitos.
Si un ISFET conectado al diodo está polarizado con una fuente de corriente y su electrodo de referencia está conectado a la puerta de un MOSFET como en la Figura 4 y, suponiendo dispositivos ajustados geométrica y eléctricamente, e ignorando el error VDS, entonces I1 ≠ I2 porque Vth entre el ISFET y el MOSFET, que se conoce de (1), es igual a Vchem.
Usando la ecuación (3) para dispositivos saturados, ajustados perfectamente:
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Sustituyendo en la relación logarítmica entre el pH y la concentración de ión hidrógeno, pH=-log10[H+], se encuentra que la proporción de corriente ID2/ID1 es proporcional a una potencia conocida de la concentración de ión hidrógeno y es independiente de los efectos de la temperatura:
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Este resultado significativo muestra que la corriente de drenaje en un ISFET invertido débilmente está controlada exponencialmente por sus potenciales fuente de puerta y fuente complementaria y se escala mediante un parámetro independiente de la temperatura, que es proporcional a una potencia conocida (menor que la unidad, puesto que 0<a<1 y n>1) de la concentración de ión hidrógeno, es decir:
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La insensibilidad a la temperatura del ISFET polarizado en la región de inversión débil lo hace ideal para su uso en la fase de transducción de un sensor químico. El uso de MOSFET en inversión débil también es ventajoso para el procesamiento del circuito en el chip, puesto que la relación exponencial entre la corriente de drenaje y las tensiones terminales pueden explotarse para implementar la manipulación matemática usando circuitos de baja potencia muy sencillos.
Para obtener una corriente de salida que sea directamente proporcional a [H+], se requiere alguna manipulación adicional de la ecuación (5). Los circuitos translineales que explotan la relación lineal entre la transconductancia y la corriente de drenaje en los transistores MOS de sub-umbral pueden usarse para realizar la multiplicación, división y funciones de ley de potencia en las señales de corriente (aunque los transistores bipolares que presentan esta relación podrían usarse como alternativa o adicionalmente).
El circuito ilustrado en la Figura 5 se presenta como un ejemplo de una fase de entrada cuya salida es una corriente Isal directamente proporcional al número de iones H+ (protones) en el total del electrolito. Este circuito se denomina aquí como “HCell”. Es ilustrativo de cómo de apto es explotar el comportamiento exponencial de los transistores con efecto de campo en inversión débil para obtener parámetros químicos reales directamente. El ISFEST usado en HCell tiene su membrana sensible a iones adaptada químicamente, de manera que su sensibilidad a pH da α/n=0,5.
Suponiendo saturación e ignorando el error VDS, puede mostrarse a partir de la ecuación (3) que las corrientes de drenaje entre el ISFET X2 y MOFSET M1 están relacionadas mediante:
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en la que VT0 = VT0(ISFET) -VT0(MOS) = Vchem
Para el circuito mostrado en la Figura 5, suponiendo dispositivos ajustados geométrica y eléctricamente con dimensiones del dispositivo iguales y masas internas conectadas a tierra, la ecuación (7) se convierte en:
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en la que
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10 La tensión de referencia Vref se usa para ajustar el punto de polarización de manera que ambos M1 y X2 funcionan en una inversión débil. El límite sobre el intervalo de entrada de pH es el intervalo de tensión de la región de inversión débil operable y la sensibilidad del pH S. Para regiones de inversión débil con un intervalo VGS de aproximadamente 400 mV, los ISFET típicos con sensibilidad de 50 mV/pH tienen 7 u 8 unidades de pH de intervalo dinámico.
15 Los transistores M3 a M6 forman un bucle translineal para el que, usando el principio translineal, se obtiene la relación:
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Sustituyendo en el resultado de (8)
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20 Ajustando Ib1=Ib2, se obtiene una relación directa entre la proporción de corriente lsa/lb1 y [H+]:
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Este enfoque ratiométrico al procesamiento de señales reduce la dependencia de la temperatura del circuito, suponiendo que los dispositivos están en proximidad cercana. Usando una tensión de referencia Vref de Temperatura Proporcional a Absoluta (PTAT) y suponiendo que Kchem y α son independientes de la temperatura hasta un primer
25 orden de aproximación, se observa que la proporción de corriente es directamente proporcional a la concentración de ión hidrógeno, con una compensación de temperatura inherente.
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El circuito de la Figura 5 se simuló en una tecnología AMS de 0,8 µ, usando una versión simplificada del macro modelo Martinoia para un ISFET de nitruro de silicio, con pHpzc=3 y sensibilidad a pH perfectamente lineal (constante α para todos los pH y temperaturas). Se encontró que n≈1,43 y α se eligió para que fuera 0,715, correspondiente a una sensibilidad de 42,6 mV/pH a T=300K.
Vdd = 1,8 V, lb1=lb2=10nA, y Vref se eligió para que fuera 50 mV para centrar la región de operación a pH 7. La
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. Se eligieron dimensiones mayores (W=432 µm, L=8 µm) para X2 y M1, para minimizar el efecto de los errores de ajuste. W/L para transistores M3 a M6 era de 40 µm/8 µm.
Ampliar los principios presentados en el presente documento a un circuito con varios ISFET, cada uno de los cuales codifica una concentración iónica diferente, permitiría que cualquier ecuación química que implica productos, cocientes y relaciones de potencia de concentración iónica, se procesara en tiempo real. Explotar los cuatro terminales del ISFET mediante el uso de la masa interna o “puerta trasera” como una segunda entrada para manipulaciones translineales aumenta adicionalmente la flexibilidad de estos principios. Adicionalmente, la inclusión de condensadores abre este principio a un campo completo de ecuaciones diferenciales para la cinética de reacción.
El espejo ISFET-MOFSET es la fase de entrada de modo corriente más simple, y se ha presentado aquí para ilustrar cómo de apto es convertir la modulación de la tensión de umbral provocada por fenómenos químicos a una corriente. Reemplazando el MOFSET en esta configuración con un ISFET casi insensible al pH (conocido como REFET) permitiría el uso de un electrodo de cuasi-referencia en estado sólido, puesto que el potencial de electrodo inestable y desconocido es común a ambos ISFET y RESET, y se cancela en la topología de espejo de corriente. La diferencia en la tensión de umbral VTH es menor entre un ISFET y REFET que entre un ISFET y un MOFSET,
disminuyendo los errores VDS y reduciendo la Vpolarización, reduciendo de esta manera el consumo de energía. El ajuste podría mejorarse también. Para un circuito más robusto con mayor SNR, podría usarse una fase de entrada completamente diferencial.
Los conceptos de detección inteligente basados en operación de inversión débil de las aplicaciones de transistor, más allá de la discriminación química usando la selectividad de las membranas, incluyen:
•
Control de la reacción en tiempo real, y procesamiento de datos analíticos
•
Secuenciación de ADN
•
Valoraciones ácido-base rápidas usando modelos cinéticos para extraer la información analítica buscada, bastante antes de alcanzar el punto de equivalencia.
•
Implementación de “árboles de decisión química” usando ISFET y otros detectores directamente como dispositivos lógicos (verdadero/falso) con umbrales ajustables.
•
Diagnósticos médicos usando control en tiempo real de proporciones de metabolitos en sangre y orina.
•
Puentes neurales.
•
Detección de impurezas.
Además de su adecuabilidad para su uso en una fase de entrada al transductor, el ISFET que funciona en la inversión débil puede proporcionar un bloque de construcción básico para el procesamiento digital de señales relacionadas químicamente.
El inversor CMOS convencional ilustrado en la Figura 7 tiene la característica de transferencia de tensión mostrada en la Figura 8, cuando funciona en la región de inversión débil. Para la región de inversión débil, en saturación, y suponiendo VBS=0, la corriente de drenaje se da mediante:
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en la que n es el parámetro de pendiente sub-umbral, β=KW/L, UT es la tensión térmica y VT0 es la tensión umbral intrínseca.
En el umbral de conmutación Vinth, M1 y M2 tienen corrientes de drenaje iguales.
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en la que las pendientes de sub-umbral para NMOS y PMOS se suponen iguales.
Si NMOS M1 de la Figura 7 se reemplaza por un ISFET de canal n entonces, dado que Vth(IFSET) = Vth(MOS) + Vchem, el umbral de conmutación vendrá dado como:
La Figura 9 ilustra el desplazamiento en el umbral de conmutación provocado por el cambio de pH. Una consecuencia de esta característica es que si vi es fijo, entonces la conmutación ocurrirá exclusivamente debido a cambios en el pH. Además, el umbral de pH al que ocurre esta conmutación puede ajustarse mediante la elección de vi como se muestra en la Figura 10. Para ilustración, se muestra que la salida es alta para pH ≥ 4 cuando vi está fijoa 0 V y para pH ≥ 8 cuando vi=100 mV.
El significado de esto es que el circuito de la Figura 7 puede usarse como un comparador cuya salida es alta para un pH mayor que un umbral definido por la tensión de entrada fija en la puerta, vi.
Las puertas lógicas pueden construirse también usando el ISFET que funciona en la región de inversión débil. En el circuito de la Figura 11, por ejemplo, VGA ajusta el umbral de pH PthA y VGB ajusta pthB. El ISFET de canal n está en saturación para pH < pth. La salida Y solo será 0 cuando ambos ISFET estén en saturación; para todos los demás estados la salida es 1, como se muestra en la tabla de decisión de NAND. Visto desde otra perspectiva, puede decirse que la salida es alta para pHA ≥ pthA O pHB ≥ PthB
Mediante un análisis similar, la salida en el circuito de la Figura 12 es alta solo cuando el pHA ≥ PthA Y pHB ≥ pthB, como puede deducirse de la tabla de decisión NOR (suponiendo de nuevo que VGA ajusta el umbral de pH PthA y VGB ajusta pthB).
Se ha mostrado que los ISFET pueden usarse para implementar las puertas lógicas básicas, que funcionan no mediante 0 y 1 en la entrada de la puerta, sino mediante un pH < o > que un umbral elegido. Los ISFET son, por lo tanto, muy adecuados para la implementación directa de funciones lógicas más complejas.
Los expertos en la materia apreciarán que pueden hacerse diversas modificaciones a las realizaciones descritas anteriormente, sin alejarse del ámbito de la invención. En una modificación, la única puerta ISFET descrita anteriormente se reemplaza por una multi-puerta ISFET. En otra modificación, la “puerta trasera” o sustrato se usa como una entrada adicional del dispositivo.
Se apreciará también que pueden crearse sistemas matemáticos “dinámicos” que incluyen sistemas de compresión instantánea añadiendo condensadores a las puertas de los ISFET (y otros MOSFET del circuito asociado), convirtiendo de esta manera las características en funciones bioquímicas de dominio temporal no lineal, de señal grande, por ejemplo filtros y procesadores de dominio log. Dicha funcionalidad depende de características exponenciales/logarítmicas del MOFSET de inversión débil.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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.
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