Biodispozitive de tip MEMS
Sunt biodispozitive care combina structuri mecanice (micropompe, actuatori) cu structuri microelectronice. In cazul Sistemelor Micro-Electr-Mecanice (MEMS) problemele sunt legate de vehicularea biolichidului in spatiul portii tranzistorului. In mod clasic, acest lucru se face cu o micropompa cu membrana si valve, actionata de un actuator, figura 10.9.a.
(a) (b)
Fig. 10.9. Metode de vehiculare a biolichidului a) micropompa cu membrana si valve; b) micropompa cu membrana si difuzor-confuzor.
Prin actuator se intelege dispozitiv de actionare. Proiectarea actuatorilor se studiaza la automatizari. Dezavantajele acestei micropompe sunt: fiabilitatea scazuta (deoarece valvele fiind elemente in miscare se pot bloca, defecta usor), posibilitatea deteriorarii unor componente biologice prin inchiderea / deschiderea valvelor. De aceea este preferata micropompa cu difuzor-confuzor din fig.10.9.b, fara parti in miscare, [77]. Este adevarat ca atunci cand actuatorul ridica membrana, se absoarbe lichid atat prin difuzor din camera de admisie (un flux mare), cat si prin confuzor din camera de refulare - fapt nedorit - (dar un flux mic). Oricum, marele avantaj vine din simplitatea tehnologica: microstructurile difuzor-confuzor se realizeaza usor prin corodare anizotropa a siliciului; in plus nu au parti in miscare.
Fig. 10.10. Structura Bio-FET cu tranzistor SOI-MOSFET.
In figura 10.10 este prezentata o varianta constructiva de tranzistor Bio-FET pe structura SOI si alimentare prin micropompa cu difuzor-confuzor. Filmul de siliciu reprezinta sediul tranzistorului, dar si membrana pe care o actioneaza actuatorul. Elementul traductor din fig. 10.10 este un tranzistor SOI-MOSFET clasic. Pentru a avea canalul de inversie cat mai aproape de membrana cu receptori, se recomanda polarizarea portii din spate, Gback. Poarta din fata, Gfront, poate fi utilizata doar pentru conexiunea mecanica cu actuatorul. Analiza facuta cu formulele (10.5) recomanda plasarea membranei cu receptori pe partea inferioara a filmului de siliciu (cat mai aproape de zona activa a tranzistorului). Microcanalele difuzor-confuzor au o forma in trunchi de piramida si se obtin usor prin corodare (spre exemplu pentru Si <111>, unghiul de corodare este 54,740). Membrana cu receptori poate fi depusa sub stratul ingropat. Acest izolator ingropat reprezinta un excelent strat de stopare a corodarii siliciului.
Fig. 10.11. Structura SOI-BioFET optimizata.
Tehnologiile SOI permit realizarea unor filme de siliciu de grosimi variabile. Ele trebuie astfel proiectate incat sa reziste din punct de vedere mecanic. Aceasta deoarece din punct de vedere electric, se doreste un film cat mai subtire pentru o sensibilitate maxima a senzorului. Este nevoie ca traductorul sa fie sensibil la tensiuni foarte mici (proportionale cu concentratii mici de analit). De aceea, se poate utiliza aici tranzistorul pseudo-MOS ca element traductor, deoarece are avantajul fata de tranzistorul SOI-MOSFET, ca 'simte' tensiuni de poarta in orice regim de lucru. Astfel, se elimina o grija suplimentara: aducerea tranzistorului in regim de inversie. Avem urmatoarele simplificari tehnologice: nu mai sunt necesare difuziile n+ in filmul de siliciu, nici depunerile de oxid si metal pentru poarta din fata, Gfront.
Mai putem face inca un pas in optimizarea structurii: eliminarea actuatorului. El avea rolul de a ridica si cobora membrana de siliciu. Acelasi efect il poate avea poarta din spate (care ea insasi nu este mobila), dar actioneaza un film de siliciu "suspendat", care se poate arcui. Se pot adapta aici principiile de la tranzistorul MOS cu poarta mobila, dar avand grija ca deformarea filmului de siliciu sa nu duca la spargerea sa. De fapt, nu este nevoie de o deformare prea ampla a filmului. Mici pulsuri negative-pozitive (de cca 8V), aplicate pe Gback, pot produce incovoieri suficiente ale filmului pentru a recircula biolichidul prin dreptul membranei cu receptori.
Figura 10.11. prezinta structura optimizata a SOI-BioFET. Pentru recircularea biolichidului este necesar sa se fixeze VS=VD=0V, iar pe terminalul Gback sa se aplice intr-un timp tr, pulsuri de tensiune de +8V si respectiv -8V. Aceasta manevra arcuieste in jos filmul de siliciu la tensiuni pozitive, iar prin confuzor se elimina vechiul fluid; apoi, la tensiuni negative, filmul se arcuieste in sus si prin difuzor se absoarbe noul fluid. Dupa timpul de recirculare, tr, (calculat din considerente de microfluidica) se poate presupune ca s-a improspatat tot biolichidul in spatiul portii. Urmeaza masuratorile electrice.
Pentru masurarea concentratiei de analit captat in spatiul portii de catre receptor, se monitorizeaza curentul de drena, ID. Se procedeaza astfel: se aplica tensiuni constante, de referinta pe cele 3 terminale: VS=0, VD>0, VGback>0. In acest mod, tranzistorul pseudo-MOS este in regim de acumulare, unde curentii sunt mai mari si deci mai usor de masurat. Se lasa dispozitivul in repaus un timp de captare, tc, (calculat din considerente biologice: captarea analitului pe receptor). Se citeste curentul ID. Cu ajutorul acestui curent, dintr-o relatie de tipul (10.4) se calculeaza concentratia de analit, cA.
