ISFETs: teoria, modelagem e chip para caracterização

Abstract

ISFETs são dispositivos capazes de medir a concentração iônica de uma solução e sua estrutura baseia-se na de transistores MOSFET. Vêm sendo aplicados em diversas áreas, como análise de fluidos químicos, sequenciamento de DNA, detecção de vírus e de bactérias. Seu princípio de funcionamento foi apresentado na década de 1970, mas somente em 1999 foi descrita uma forma de implementá-los utilizando tecnologia CMOS padrão. Porém, ainda nos dias atuais, tem-se necessidade de estudos que expliquem e modelem corretamente certas não-idealidades dos ISFETs, além de desenvolver arquiteturas que reduzam tais efeitos. Portanto, neste trabalho são apresentados fundamentos sobre ISFETs, abrangendo suas não-idealidades e principais aplicações. O modelo do ISFET é abordado e implementado no software Matlab®. Além disso, é apresentado o projeto de um chip desenvolvido no software Virtuoso® que possibilitará caracterizar os ISFETs na tecnologia SilTerra D18V. Resultados de simulação estimam sensibilidade média de 45.3 mV/pH na faixa de pH 1 a 10 para os dispositivos projetados. O chip foi enviado para fabricação nesta tecnologia em área de silício gentilmente disponibilizada pelas empresas Chipus Microeletrônica S.A. e SilTerra Malaysia Sdn Bhd.

Abstract : ISFETs are devices capable of measuring ionic concentration of a solution and their structure is based on MOSFETs. They have been used in various applications such as chemical analysis, DNA sequencing, viruses and bacteria detection. The basic idea behind the ISFETs emerged in 1970, but a way to implement it on a standard CMOS process was only described in 1999. However, a deeper understanding of some of its non-idealities and the development of architectures to reduce the effects of these non-idealities are still needed. Therefore, this work summarizes the basic principles of ISFET operation, including non-idealities and some applications. The ISFET model is introduced and implemented on Matlab®. Furthermore, the details of a chip designed on the Virtuoso® platform, aimed at characterizing the ISFETs on SilTerra D18V technology, is presented. Simulation results estimate an average sensitivity of 45.3 mV/pH in the pH range 1 to 10 for the projected devices. The chip, sent for fabrication on this technology, was kindly supported by Chipus Microeletrônica S.A. and SilTerra Malaysia Sdn Bhd.