Н.В. Масальский1

1 ФНЦ «Научно-исследовательский институт системных исследований РАН» (Москва, Россия)
1 Masal1960@yandex.ru

Постановка проблемы. Для большинства биохимических приложений сформировалась тенденция интеграции на кристалле широких возможностей рН-зондирования с электронными компонентами для последующей обработки экспериментальных результатов. Повышение чувствительности сенсоров выше предела Нернста – актуальная задача, поскольку рН-метрия используется не только в медико-биологических исследованиях, но и в различных отраслях промышленности. Сенсор выполнен на основе комплементарной пары кремниевых ленточных полевых ионно-чувствительных нанотранзисторов. Вольт-амперные характеристики комплементарных транзисторов оптимизируются с помощью 3D-моделирования, выполняемого посредством системы приборно-технологического моделирования TCAD Sentaurus с использованием Sentaurus Devicee.2010.12. Стратегия численной оптимизации – определение диапазонов размеров ленточной чувствительной области ионно-чувствительного транзистора, где его чувствительность по току постоянна при наибольшем числе отсчетов, подразумевая, что один отсчет эквивалентен одному уровню рН. Для экспериментальных исследований выбран прототип с размерами чувствительной области длиной 1452 нм, шириной 184 нм и высотой ts = 38,5 нм, который имеет максимальную чувствительность одиночных транзисторов в диапазоне 14 отсчетов.

Цель. Выполнить оптимизацию конструкции масштабируемого рН-сенсора на базе комплементарных ленточных кремниевых полевых ионно-чувствительных транзисторов (ПИЧТ) и экспериментальное исследование электрофизических характеристик масштабируемого высокочувствительного рН-сенсора, функционирующего при низких управляющих напряжениях.

Результаты. Проведена экспериментальная апробация, подтверждающая практическую применимость метода рН-метрии жидких растворов на основе комплементарной схемы ионно-чувствительных нанотранзисторов. Показано, что разработанный при помощи TCAD-моделирования экспериментальный образец выявил чувствительность выше предела Нернста примерно на 25% в диапазоне рН от 3 до 12, с чувствительностью 0,001 pH. Установлено, что при подаче на вход треугольных импульсов длительность выходных импульсов линейно уменьшается с ростом рН. Отмечено, что характеристики конструкции практически линейны в исследуемом диапазоне рН. Выявлено, что выходное напряжение может быть невосприимчиво к индивидуальной чувствительности одиночных транзисторов, ток утечки и энергопотребление достаточно низкие.

Практическая значимость. Рассмотренная методология открывает эффективный подход к масштабированию рН-сенсора, обеспечивая высокое разрешение при минимальной потребляемой мощности. Одновременно могут достигаться и высокая чувствительность, и линейное преобразование выходного тока в выходное напряжение. Это открывает путь для эффективной интеграции комплементарных сенсоров в аналитическую лабораторию на кристалле.

Масальский Н.В. Эффективный метод рН-метрии на основе комплементарной схемы ионно-чувствительных нанотранзисторов // Биомедицинская радиоэлектроника. 2025. T. 28. № 3. С. 60−69. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604136-202503-07

1. Functional nanomaterials and devices for electronics, sensors and energy harvesting. by ed. Flandre D, Springer International Publishing Switzerland 2014. 467.
2. Hübert T., Boon-Brett L., Buttner W. Sensors for safety and process control in hydrogen technologies. CRC Press, 2015. 414.
3. Rocchitta G., Spanu A., Babudieri S., Latte G., Madeddu G., Galleri G., Nuvoli S., Bagella P., Demartis M.I., Fiore V., Manetti R., Serra P.A. Enzyme biosensors for biomedical applications: strategies for safeguarding analytical performances in biological fluids. Sensors. 2016. V. 16. № 6. P. 780–802.
4. Paulovich F.V., de Oliveira M.C.F., Oliveira O.N., Jr. A future with ubiquitous sensing and intelligent systems. ACS Sens. 2018. V. 3. № 8. P. 1433–1438.
5. Buttner W.J., Post M., Burgess R., Rivkin C. An overview of hydrogen safety sensors and requirements. Int. J. Hydrogen Energy. 2011. V. 36. № 3. P. 2462–2470.
6. Hübert T., Boon-Brett L., Black G., Banach U. Hydrogen sensors. A review. Sens. Actuators B Chem. 2011. V. 157. P. 329–352.
7. Adeel M., Rahman M., Caligiuri I., Canzonieri V., Rizzolio F., Daniele S. Recent advances of electrochemical and optical enzyme-free glucose sensors operating at physiological conditions. Biosensors and Bioelectronics. 2020. V. 165. P. 112331.
8. Zeng J., Kuang L., Miscourides N., Georgiou P. A 128×128 current-mode ultra-high frame rate ISFET array with in-pixel calibration for real-time ion imaging. IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst. 2020. V. 14. P. 359–372.
9. Gale B.K., Jafek A.R., Lambert C.J., Goenner B.L., Moghimifam H., Nze U.C., Kamarapu S.K. A review of current methods in microfluidic device fabrication and future commercialization prospects. Inventions. 2018. V. 3. № 3. P. 60–68.
10. Rigante S., Scarbolo P., Wipf M., Stoop R.L., Bedner K., Buitrago E., Bazigos A., Bouvet D., Calame M., Schönenberger C. Sensing with advanced computing technology: fin field-effect transistors with high-k gate stack on bulk silicon. ACS Nano. 2015. V. 9. № 5. P. 4872–4881.
11. Tran D., Winter M., Yang C.-T., Stockmann B., Offenhäusser A., Thierry B. Silicon nanowires field effect transistors: A comparative sensing performance between electrical impedance and potentiometric measurement paradigms. Anal. Chem. 2019. V. 91. № 19. P. 12568–12573.
12. Biomaterials nanoarchitectonics. Ebara M. (editor). Elsevier Inc. 2016. 362.
13. Ferain I, Colinge C.A, Colinge J. Multigate transistors as the future of classical metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. Nature. 2011. V. 479. P. 310–316.
14. Naresh V., Lee N. A review on biosensors and recent development of nanostructured materials-enabled biosensors. Sensors. 2021. V. 21. № 4. P. 1109.
15. Manjakkal L., Szwagierczak D., Dahiya R. Metal oxides based electrochemical pH sensors: Current progress and future perspectives. Prog. Mater. Sci. 2020. V. 109. P. 100635–100642.
16. Chan W.P., Premanode B., Toumazou C. An integrated ISFETs instrumentation system in standard CMOS technology. IEEE Solid-State Circuits. 2010. V. 45. P. 1923–1934.
17. Do A., Je M., Yeo K. An improved inverter‑based readout scheme for low‑power ISFET sensing array. Electronics Letters. 2013. V. 49. P. 1517–1518.
18. Zhou Q., Son K., Liu Y., Revzin A. Biosensors for cell analysis. Annu Rev Biomed Eng. 2015. V. 17. P. 165–190.
19. Moser N., Lande T.S., Toumazou C., Georgiou P. ISFETs in CMOS and emergent trends in instrumentation: A review. IEEE Sens. J. 2016. V. 16. P. 6496–6514.
20. Lundström I., Shivaraman, S., Svensson C., Lundkvist L. A hydrogen-sensitive MOS field-effect transistor. Appl. Phys. Lett. 1975. V. 26. P. 55–57.
21. Lundström I. Hydrogen sensitive MOS-structures, Part I: Principles and applications. Sens. Actuators. 1981. V. 1. P. 423–426.
22. Masalsky N. Silicon on isolator ribbon field-effect nanotransistors for high-sensitivity low-power biosensors. J. Eng. Technol. Sci. 2022. V. 54. P. 435–448.
23. Shafi N., Sahu C., Periasamy C. Fabrication and pH sensitivity analysis of in-situ doped polycrystalline silicon thin-film junctionless BioFET. IEEE Electron Device Lett. 2019. V. 40. № 6. P. 997–1000.
24. TCAD Sentaurus Device https://www.synopsys.com/silicon/tcad/device-simulation/sentaurus-device.hlmt/ (дата обращения 02.03.2021).
25. Wong H.Y., Braga N., Mickevicius R.V. Prediction of highly scaled hydroden-terminated diamond MISFET performance based on calibrated TCAD simulation. Diam. Relat. Mater. 2017. V. 80. P. 14–17.
26. Dinar A., Zain A., Salehuddin F., Attiah M., Abdulhameed M. Modeling and simulation of electrolyte pH change in conventional ISFET using commercial Silvaco TCAD. IOP Conf. Mater. Sci. Eng. 2019. P. 518–522.
27. Nguyen N., Readout T.C. Concepts for label-free biomolecule detection with advanced ISFET and silicon nanowire biosensors. Technische Universität Kaiserslautern. Kaiserslautern. Germany. 2018. 176.
28. Masalskii N.V. Compact sensor on the basis of the «silicon on isolator» waveguide structure for express detecting of ammonia solutions. International Journal of Biosensors and Bioelectronics. 2018. V. 4. № 1. P. 27–28.
29. Hu Y., Moser N., Georgiou P. A 32×32 ISFET chemical sensing array with integrated trapped charge and gain compensation. IEEE Sens. J. 2017. V. 17. P. 5276–5284.