Etude d'une structure amplificatrice pour le développement des capteurs : application à la détection en milieux aqueux

Investigation of an amplifying structure for sensors development : application for aqueous detection

• Auteur / Autrice : Jérôme Launay
• Direction : Augustin Martinez, Pierre Temple-Boyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, microsystèmes
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transducteurs

Amplificateurs

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Amplificateur MOSFET

Capteur chimique

Résumé

Les capteurs chimiques CHEMFETs (Chemical Field Effect Transistor) ont été couramment utilisés pour la détection de diverses espèces chimiques (ions, molécules,). Cependant, la pertinence de la structure FET n'a jamais été discutée. Au premier abord, elle présente l'avantage d'intégrer naturellement les parties " détection ", i. E. La grille chimique sensible, et " mesure ", i. E. Le canal source - drain mais, en contrepartie, est caractérisée par de faibles sensibilités (loi de Nernst : 59 mV/pH à 300K). Afin d'amplifier les propriétés de détection, il est nécessaire de séparer ces parties " détection " et " mesure ". Cette solution aboutit naturellement au développement de capacités chimiquement sensibles (Chemical Field Effect Transistor ou CHEMFET) et d'amplificateurs électroniques adaptés. Diverses structures CHEMFEC/MOSFET ont été étudiées afin d'amplifier la sensibilité de détection et la vérification expérimentale a été effectuée sur partir des capacités sensibles aux ions H+ (SiO2/Si3N4 pH-ISFEC). Des réponses linéaires et des sensibilités élevées (jusqu'à 775 mV/pH à 300K) ont été obtenues sur de grandes gammes de pH. Un bon accord a enfin été obtenu entre théorie, simulation et expérience, explicitant les différents défauts de mesure au travers de la prise en compte de phénomènes dynamiques et des propriétés de détection du matériau chimiquement sensible. Ces études ont été effectuées dans le cadre des capteurs chimiques CHEMFETs, mais elles pourront être facilement étendues à l'ensemble des microcapteurs basés sur le transistor à effet de champ (GASFET, RADFET,).

Field effect transistors (FET) have been shown to be usable as transducers for many applications. However, the relevance of the FET structure itself has never been fully discussed. At first, by integrating in a single structure the detection part, i. E. The gate structure, and the measurement part, i. E. The source-drain channel, the FET seems to be the perfect solution for the collective fabrication of sensors. Therefore, since the FET potentiometric detection principle is well adapted to the ions detection, chemical field effect transistors (ChemFETs) sensors have been successfully developed for chemical applications. However, with the development of biotechnologies and the detection of various biochemical species (ARN strands, proteins, bacteria, cells,), the ChemFETs advantages do no longer exist. First, the FET potentiometric detection technique is not fully suited to such applications. Second, the overlap of the detection and measurement parts prevents the amplification of the detection properties. The development of chemical field effect capacitors (ChemFECs) based on the electrolyte/ insulator/semiconductor (EIS) structure can bring solutions for biochemical applications since they are suited for both potentiometric and impedancemetric detection technique. In return, they require the development of specific measurement and characterisation techniques. With this aim in view, an electronic structure associating a ChemFEC sensor and a MOSFET amplifier has been developed and successfully applied to a SiO2/Si3N4 pH-ChemFEC sensor. Varied theoretic and experimental studies have therefore been performed in order to explain thoroughly the dynamic behaviour of the FEC/MOSFET amplifier, taking into account the influences of the different electrical parameters of the whole structure and demonstrating the potentiometric and impedancemetric detection principle of the ChemFEC sensor.