Sensores Basados en Los Transistores Mosfet

SENSORES BASADOS EN LOS TRANSISTORES MOSFET. C.ING ARCENIO CALDERÓN LEDESMA e-mail: [email protected] Departamento de electricidad y electrónica, universidad Francisco de Paula Santander, Cúcuta, Colombia.

Resumen: La estructura básica, así como la existencia física de los transistores de efecto de campo MOS (metal oxide semiconductor), fue el primer transistor sin duda de gran importancia, ya que ha dado el desarrollo de toda una serie de sensores, para la medición física y química de los parámetros ambientales. La ecuación para el drenaje de la corriente del MOSFET, muestra una serie de parámetros que pueden estar directamente influenciados por una cantidad externa, pero también presenta pequeñas variaciones debido a la configuración que tiene la tecnología MOSFET, en la que originalmente ha dado un gran número de las propiedades en estos sensores. 1. INTRODUCCIÓN La medida de la carga de la superficie del semiconductor en función de un campo eléctrico perpendicular a la superficie fue mencionado por Lihenfeld en el año 1925 y esto se tomó como un principio de un dispositivo electrónico en la que no hay un consumo de energía de la fuente de entrada debido a la creación de un campo eléctrico. A mediados de la década de los 40 Schokley y Pearson pusieron en pie esta teoría, ya que la superficie del semiconductor, la mayoría de dopaje del signo contrario desde un punto de vista electrónico, la principal ventaja de este semiconductor es que tiene una alta impedancia intrínseca. Esta propiedad hace que el dispositivo MOS sea muy atractivo en la aplicación de los sensores, ya que esto se estarán hablando más al fondo sobre cada uno de ellos. [1]

2. EL TRANSISTOR MOSFET. En primer lugar se hará un breve resumen de las ecuaciones más importantes y los parámetros de un transistor MOSFET de canal n, en primer lugar la teoría de la ecuación de la corriente del drenaje para un transistor MOSFET, en la región no saturada entre (VD < VG – VT) es:

Tomado de la página web siguiente: http://doc.utwente.nl/69502/1/Bergveld85impact.pdf.

Donde µ es la movilidad del electrón en el canal, Cox es el óxido de la capacitancia por unidad de área, W/L la relación del canal anchura – longitud, VG y VD son los voltajes aplicados de la compuerta y drenaje respectivamente y VT es la tensión umbral que puede ser descrito de la siguiente forma:


Donde QB es el agotamiento de la carga por unidad de área, ɸf es la diferencia de potencial de Fermi entre la mayor parte de

dopamiento intrínseca del silicio, y VFB es la tensión banda plana que viene dada por:


2.1. Los cambios de configuración en el transistor MOSFET en las funciones del sensor. Tomado de la página web siguiente: http://doc.utwente.nl/69502/1/Bergveld85impact.pdf.

Donde ɸM y ɸS1 es la función de trabajo del silicio metal, mientras que Q1t y Qf son las cargas de la trampa interfaz respectivamente por unidad de área. [1] En el primer caso el modo de operación de un transistor MOSFET en la región saturada puede ser explicada por estas tres ecuaciones, en la cual queda resumida de la siguiente forma:

La mayoría de los sensores basados en los transistores MOSFET, la modificación tecnológica más sencilla de la configuración MOSFET es la omisión de la compuerta de metal, ya que a veces es más difícil el uso de la compuerta a una cierta distancia, esta distancia siendo salvado por un determinado material hace que el resultado de los sensores sea más sensibles ya sea a un producto químico ó de la cantidad física de acuerdo a ciertos efectos a que este material este añadido. [1]

2.2 EL ADFET.


A continuación se muestra la representación esquemática de un transistor MOSFET. Figura 1. Representación esquemática básica en la operación de un MOSFET.

Se conoce también como el transistor de adsorción de efecto de campo, ya que tiene una limitación del espesor del óxido. Este sensor tiene la capacidad de responder a toda clase de gases en la que tienen un dipolo neto permanente, la explicación de la sensibilidad es observado de acuerdo de cómo actúa el drenaje, ya que se determina por la franja del campo de las moléculas adsorbidas. Esto también puede explicar el hecho de que los dispositivos tienen una película más gruesa no corresponden a los gases adsorbidos. Como por ejemplo para mejorar la respuesta de NO Y NO 2 se debe dar usos de los derivados en la que puedan contribuir una mejor respuesta primaria a un determinado componente gaseoso o clase de componentes en la cual pueda dar un sistema de monitoreo para caracterizar la presencia y la concentración de sustancias seleccionadas para una mejor medición en el sistema ambiental y además permite un mejor en la aplicación de este sensor. [1] A continuación se muestra la estructura interna de este sensor, en la forma cómo va a operar para su respectivo funcionamiento:

Figura 2. Representación esquemática y el funcionamiento de un sensor ADFET.

Donde la compuerta de la Ceq puede ser una función externo del medio ambiente, como por ejemplo la compuerta puede levantar la curva de la presión cuando el espacio entre el óxido de la compuerta y en el vacío o simplemente aire, dado que los valores reales de un espesor en la cámara de aire son del orden de micrones, el resultado de la capacitancia esta expresado por: Ceq = Cairgap << Cox Donde


2.3 EL PRESSFET. Este es un tipo de sensor ya que de acuerdo a su construcción ya que posee una película de unión resistente junto con el área de la compuerta. Por lo tanto este cambio también puede proporcionar una dirección perpendicular a la del transistor. [1] Si en contraste entre la puerta y el oxido es un dieléctrico, el sensor obedece en las siguientes ecuaciones que estarán mencionadas a continuación:


La sensibilidad del dispositivo para una variación de la capacitancia de espacio de aire es:

Figura3. Representación esquemática y el funcionamiento de un sensor PRESSFET. Tomado de la página web siguiente: http://doc.utwente.nl/69502/1/Bergveld85impact.pdf


Esta sensibilidad se puede aumentar mediante el aumento de los voltajes aplicados, especialmente a Vo, simplemente porque un voltaje más alto implica en un condensador mayor cargo, por lo tanto las tensiones de ella son del orden de cientos de voltios. Un enfoque similar es el uso del sándwich de un polímero piezoeléctrico tales como PVF, ya que existe entre una capa entre la puerta del metal y el oxido de un MOSFET. En este caso no es necesario el espacio de aire, debido a una presión acústica en el piezoeléctrico ya que su capa

induce un voltaje de entrada para el MOSFET, este es un tipo de sensor aplicado para su uso como matrices de sistema en imágenes médicas ultrasónicas. [1] 2.4. EL ISFET Este es un tipo de sensor también conocido como transistor de efecto de campo de ion sensitivo, ya que puede ser visto como tipo de sensor especial de MOSFET, en la cual cuenta con una zona de recubrimiento o membrana químicamente sensitiva, como resultado de ello al sumergirlo en un electrolito, el potencial en el aislante depende de la concentración en el ion detectado. Dicho potencial cambia la tensión umbral y con ella la corriente del drenador. El electrodo básico de referencia, que se sumerge en el mismo electrolito, puede ser considerado como el equivalente del electrodo de puerta. De este modo el ISFET es como un MOSFET que en vez de tener sistema de oxido – electrolito. Sus limitaciones que se presentan en este sensor es la poca selectividad y adhesión de la membrana, la estabilidad y la fotosensibilidad del material de la puerta, y el encapsulado. [2]

3. ADICION DE SENSORES QUÍMICOS (SCS): UNA NUEVA PLATAFORMA DE DETECCION NEURO-QUÍMICA. Los dispositivos de control de actividad neuronal se puede utilizar para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo los estudios de neurofisiología, neuropatología, monitoreo de drogas y rehabilitación. A pesar de la conducción nerviosa se basa en flujo de corriente iónica, ya que los estudios de monitoreo se centran en la grabación bioeléctrica. Esto se debe casi especialmente a los aparatos convencionales de iones de detección en los laboratorios de química ya que es un poco engorroso, lento e inapropiado. Para esto se utiliza el sensor ISFET ya que permite mejorar la detección de los iones y además tiene una respuesta de tiempo rápido, una estructura compacta y una ganancia de sensibilidad iónica. Figura 5. Detección de iones de potasio en un manojo de nervios. La matriz se utiliza a través de un sensor ISFET para generar una mapa de espacio temporal de la actividad química. [3]

Figura 4. Representación esquemática y el funcionamiento básico de un sensor ISFET.

Tomado de la siguiente página web siguiente: http://eprints.imperial.ac.uk/retrieve/1085/license.txt

3.1 conducción neural.


Sobre la conducción de la teoría nerviosa, el disparo de un grupo de nervios en fascículos uno o más, crea corrientes iónicas que fluyen entre los fascículos al espacio extracelular, que generan las señales detectables. Por lo tanto las variaciones de las concentraciones localizadas iónicas al

tomar lugar durante un acontecimiento de la señal puede ser detectado por un sensor ISFET modificado, adaptado para determinadas selectividad de iones, ya que los beneficios potenciales para la detección neuroquímica se utiliza mediante matrices en comparación de los métodos convencionales de grabación incluyen la bioeléctrica. Una mayor inmunidad de interferencia mioeléctrica, el fascículo específico del seguimiento y la distinción entre las señales sensoriales y motora en la que ambos tienen lugar en un manojo de nervios. [3] Figura 6. Cambio en la conductancia entre el sodio y el potasio, cuando se produce una acción potencial.

Figura 7. Esquema de un circuito del sensor químico. El circuito consta de un sensor ISFET y un circuito de neuronas.

Tomado de la siguiente página web siguiente: http://eprints.imperial.ac.uk/retrieve/1085/license.txt.

3.3 Fabricación ISFET.


Los sensores ISFET se basan en el estándar del MOSFET para crear la detección de la superficie de la carga, principalmente los iones de hidrogeno. La metodología utilizada para el diseño del ISFET es adoptado por Hammond, donde la puerta del polisilicio se conecta a través de las capas del metal, para la capa superior del metal, ya que este posee un recubrimiento por nitruro de silicio pasivo. [3] Figura 7. Diseño del sensor ISFET.

3.2 descripción del circuito. En la siguiente figura muestra el esquema, en la cual este circuito consta de un dispositivo ISFET personalizado, este dispositivo hunde la corriente de salida que depende del pH de la solución. Esto se debe a la unión de iones de hidrogeno a la superficie de nitruro de silicio por encima de la puerta, formando un acoplamiento capacitivo con la referencia de los electrodos AgCl/Ag. El ISFET es sesgado en la región de inversión débil de la operación para reducir el mínimo poder del consumo y aprovechar la característica de este dispositivo. [3]


4. DISEÑO DE LA PANTALLA DIGITAL PARA EL SENSOR DE pH UTILIZANDO MICROCONTROLADOR PIC.

Figura 8. Esquema del circuito de visualización digital para el sensor pH ISFET.

El diseño de la pantalla digital es aquel que utiliza sistemas discretos, que por lo general no simboliza numéricamente a representar la información de entrada, procesamiento, transmisión y almacenamiento. Por el contrario el sistema no digital o analógico utiliza un rango continuo de valores para representar la información. Aunque estas representaciones digitales no discretas, tales como números, letras e iconos o sonidos continuos, como por ejemplo, imágenes y otras medidas de sistemas continuas. [4] 4.1

diseño del esquema del circuito.

El circuito de interfaz del ISFET ha desarrollado para integrarse con el sistema embebido para analizar los datos de la madurez de la fruta sobre la base de medición de pH. A continuación se muestra el circuito de interconexión para el ISFET y ADC, en donde hay cinco resistencias y un amplificador operacional relacionado con el ISFET para dar el valor de referencia de tensión para el circuito ADC para convertir de análogo a digital. El controlador utilizado en el sistema se elige el microcontrolador PIC, ya que este se analiza los datos de tensión y mostrar en el panel LCD. La programación PIC se hace mediante el uso del programador MPLAB. Una vez que el programa este escrito, se compila en un formato hexadecimal y luego este es enviada al puerto de para el programador en la cual se ejecuta el programa PIC. Por otra parte estos sensores se ha introducido debido a su alta tecnología, ya que este dispositivo es muy aplicable a la parte biomédica y bioquímica. Además se ha implementado este sistema para determinar la caracterización de pH que se puede aplicar en el campo de la agricultura a través de la medición de la maduración de las frutas. Los procesos de diseño, fabricación y la implementación del hardware y el software para ser integrados en este sistema son para controlar la correcta programación y sus respectivas instrucciones. [4]

Tomado de la página web correspondiente: http://www.masaumnet.com/archives/mjbas/volume1/iss ue2/mjbas010208.pdf

4.2 modelo de simulación del esquema del circuito. Las características de los componentes electrónicos y microcontroladores PIC en los procesos de programación y el comportamiento del sensor ISFET, puede ser simuladas mediante el programa MULTISIM e ISIS. Para este proceso se necesita información y el diseño de simular todos los pasos del proceso de la electrónica, cada paso de fabricación utiliza técnicas numéricas para modelar los fenómenos físicos que existen en el proceso de la fabricación real. En la siguiente figura se muestra la función de cómo el microcontrolador captura los datos digitales obtenido por el sensor ISFET y ADC en la aparición de la pantalla LCD. Por otra parte la sensibilidad y la selectividad del sensor ISFET ha logrado depositar un gran desarrollo para este sistema ya que este ha permitido analizar todo el comportamiento necesario para el obtener un mejor enfoque para tener una mejor disponibilidad en el diseño de portátiles provocando así un mejor sistema de adaptación de una forma más efectiva. [4]

Figura 9. MULTISIM.

Modelo

de

simulación

del

5.1 resultados y discusión En los resultados se mostró que el funcionamiento del sensor ISFET es muy similar a la de un MOSFET convencional, excepto que se utiliza una puerta de solución en lugar de una puerta de metal. Cuando el ISFET da una referencia en los electrodos (AgCl/Ag), entonces los datos que arrojan en el buffer de pH son 2, 4, 6, 8,10, luego estos resultados se obtuvieron mediante la aplicación de 2.0 V. [5] Figura 10. Curvas de drenaje a la fuente de corriente frente a la tensión de referencia en las diferentes soluciones de pH.

Tomado de la página web correspondiente: http://www.masaumnet.com/archives/mjbas/volume1/iss ue2/mjbas010208.pdf

5. UN NUEVO SISTEMA DE SnO2/Al DISCRETA DE LA PUERTA DEL SENSOR pH ISFET. La aplicación de los iones de transistor de efecto de campo sensible (ISFET), es un dispositivo necesario para mediciones de porción de cantidades químicas. El ISFET ha sido ampliamente estudiado debido a sus ventajas que posee este sensor como la respuesta rápida y lo más importante la posibilidad de utilizar procesos de fabricación de MOSFET. La diferencia entre el ISFET y el MOSFET es que este no posee el electrodo de puerta de metal. [5] Figura 10. Diagrama sistema ISFET discreto.

esquemático

del

Tomado de la pagina web correspondiente: http://front.cc.nctu.edu.tw/Richfiles/9278-chin1.pdf

Tomado de la página web correspondiente: http://front.cc.nctu.edu.tw/Richfiles/9278-chin1.pdf

Ahora frente a las características de la corriente en función de la fuente de drenaje de la ISFET tiene un rango de la concentración pH entre 2 y 10. La ecuación para el MOSFET en la región de saturación se da de la siguiente manera:

Tomado de la pagina web correspondiente: http://front.cc.nctu.edu.tw/Richfiles/9278-chin1.pdf

Finalmente se muestra la gráfica del voltaje de salida con respecto a la concentración de pH. [5]

si VDS es muy pequeño y VDS < (VGS – VT) entonces queda expresada de la siguiente forma:

Figura 11. Gráfica en la que muestra la linealidad entre el voltaje de salida y la concentración de pH.


A continuación se ilustra el amplificador de instrumentación que me modela estas expresiones matemáticas: Figura 12. Diagrama esquemático de la amplificación del circuito del sensor ISFET. Tomado de la pagina web correspondiente: http://front.cc.nctu.edu.tw/Richfiles/9278-chin1.pdf

5.2 lectura del circuito. A continuación se muestra el circuito de un amplificador de instrumentación para el ISFET. El esquema y el diseño muestran que las resistencias R1, R2, R3 Y R4 son de 10 kΩ y el R fue de 20 kΩ. El electrodo de voltaje de referencia suministra a la puerta del sensor ISFET un VRef. El voltaje V+ y Ves igual al voltaje VDS en el ISFET. [5] De acuerdo a las ecuaciones muestra que el RISFET depende de la ID. Por lo tanto las ecuaciones quedan expresadas de la siguiente forma:


6. CONCLUSIONES. 


En los sensores basados en los transistores MOSFET vemos que el tipo del sensor más utilizado en la industria es el sensor ISFET ya que este dispositivo tiene una capacidad sorprendente en la detección de los iones químicos según el área en la que se vaya a aplicar, además de esto permite obtener una respuesta más rápida con respecto a otros sensores

debido al sistema que dispositivo. 

posee

este

Por otra parte la mayoría de los sensores basados en los transistores MOSFET, es la modificación tecnológica sencilla de la configuración de ella, ya que ellos se vuelven más sensibles ya sea a un producto químico ó de la cantidad física de acuerdo a ciertos efectos a que este material este añadido. 7. REFERENCIAS. 7.1 BIBLIOGRAFÍA.



Sensores y Acondicionadores de Señal, Ramón Pallás Areny, 1994 Marcombo Grupo Editor S.A, Gran Vía de les Cort Catalanes 08007, Barcelona (España). Pág. 400-401. [2]

7.2 WEBGRAFÍA. 

http://doc.utwente.nl/69502/1/Bergveld85i mpact.pdf. [1]



http://doc.utwente.nl/69502/1/Bergveld85i mpact.pdf. [3]



http://www.masaumnet.com/archives/mjb as/volume1/issue2/mjbas010208.pdf [4]



http://front.cc.nctu.edu.tw/Richfiles/9278chin1.pdf [5]

Sensores Basados en Los Transistores Mosfet

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