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Previous issue date: 2018-06-29 / In recent decades, special attention has been paid to the study of silicon-based biosensors in the field of bioanalytical applications, due to their favorable operating characteristics, which include: good sensitivity, processing speed, miniaturization and low cost. Among these, the Ion Sensing Field Effect Transistor (ISFET) is one of the most popular biosensors and is regarded as the first miniaturized silicon-based chemical sensor. The ISFET conventionally used as a pH sensor has been widely used to measure the concentration of hydrogen ions of a substance (H + or OH-) [1] [2].
This work presents an alternative model for ISFET sensors based on the simulation limitations of the classic model presented by Martinoia [3] [4]. The alternative model can be used in both permanent and transient regime simulations, including also the effect of temperature, where it is desired to investigate the electrical signal resulting from a reading circuit used for the initial treatment of the signal transduced by a pH sensitive ISFET sensor. The electrochemical stage of an ISFET is responsible for emulating the device's ion sensitivity. The alternative model is able to represent this stage through a simpler circuit topology than those found in the literature, without loss of generality. The simulation results using the proposed ISFET model are compatible with those presented in the literature, thus affirming its effectiveness.
This work also presents a signal conditioning circuit for ISFET sensors sensitive to pH with temperature compensation. As compared to the conventional circuit topologies found in the literature, besides the temperature effect compensation, the proposed analog interface has at least two advantages. The first is related to simplicity and, consequently, to the reduced size of the circuit; the second is the additional gain conferred to the sensor output signal. Its performance was investigated through simulations performed in SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasys) simulator using the BSIM3v3 models. The BSIM3 (Berkeley Short Channel Insulated field effect transistor Model) models are public models developed at the University of Berkeley, California; such models are widely used in simulations of analog and digital circuits that use MOS devices of submicron dimensions.
The conventional reading circuit topologies for ISFET sensors do not confer sensitivity gain and have their output limited to the sensitivity of the transducer element, as predicted by the Nernst model [2] and observed by Martinoia [3] [4]. The simulation results show that in its basic design, the circuit topology proposed in this work grants additional gains to the sensor output signal, increasing its sensitivity up to forty times the theoretical limit of Nernst; in an alternative design the gain granted reaches up to ten times the sensor limit, but with the compensation of the effect of the temperature. / Nas últimas décadas, uma atenção especial vem sendo dada ao estudo de biosensores baseados em silício no campo de aplicações bioanalíticas, devido as suas características favoráveis de operação que incluem: boa sensibilidade, velocidade de processamento, miniaturização e baixo custo. Entre estes, o Transistor de Efeito de Campo Sensível a Íons (ISFET) é um dos biosensores mais populares e é tido como o primeiro sensor químico à base de silício miniaturizado. O ISFET utilizado convencionalmente como sensor de pH, tem sido amplamente utilizado para medir a concentração de íons de hidrogênio de uma substância (H+ ou OH-) [1] [2].
Este trabalho apresenta um modelo alternativo para sensores ISFET com base nas limitações de simulação do modelo clássico apresentado por Martinoia [3] [4]. O modelo alternativo pode ser empregado tanto em simulações de regime permanente quanto transientes, incluindo também o efeito da temperatura, onde se deseja investigar o sinal elétrico resultante de um circuito de leitura utilizado para o tratamento inicial do sinal transduzido por um sensor ISFET sensível a pH . O estágio eletroquímico de um ISFET é responsável por emular a sensibilidade a íons do dispositivo. O modelo alternativo é capaz de representar esse estágio por meio de uma topologia de circuito mais simples do que as encontradas na literatura, sem perda de generalidade. Os resultados de simulação empregando o modelo de ISFET proposto são compatíveis com os apresentados na literatura, afirmando assim sua eficácia.
Este trabalho apresenta ainda um circuito de condicionamento de sinais para sensores ISFET sensíveis a pH com compensação do efeito da temperatura. Quando comparada às topologias de circuito convencionais encontradas na literatura, além da compensação do efeito de temperatura, a interface analógica proposta apresenta pelo menos duas vantagens. A primeira está relacionada à simplicidade e, consequentemente, ao tamanho reduzido do circuito; o segundo é o ganho adicional conferido ao sinal de saída do sensor. Seu desempenho foi investigado através de simulações realizadas em simulador SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasys) utilizando os modelos BSIM3v3. Os modelos BSIM3 (Berkeley Short channel Insulated field effect transistor Model) são modelos públicos desenvolvidas na Universidade de Berkeley, Califórnia; tais modelos são amplamente utilizados em simulações de circuitos analógicos e digitais que se utilizam de dispositivos MOS de dimensões submicrométricas.
As topologias de circuitos de leitura convencionais para sensores ISFET não conferem ganho de sensibilidade e têm sua saída limitada à sensibilidade do elemento transdutor, conforme previsto pelo modelo de Nernst [2] e observado por Martinoia [3] [4]. Os resultados de simulação mostram que em sua concepção básica, a topologia de circuito proposta neste trabalho concede ganhos adicionais ao sinal de saída do sensor, aumentando sua sensibilidade em até quarenta vezes o limite teórico de Nernst; numa concepção alternativa o ganho concedido chega a até dez vezes o limite do sensor, mas com a compensação do efeito da temperatura.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:http://localhost:tede/6720 |
| Date | 29 June 2018 |
| Creators | Silva, Luciano Lourenço Furtado da, 92992679093 |
| Contributors | agscruz@hotmail.com, Cruz, Carlos Augusto de Moraes |
| Publisher | Universidade Federal do Amazonas, Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica, UFAM, Brasil, Faculdade de Tecnologia |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFAM, instname:Universidade Federal do Amazonas, instacron:UFAM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | -5930111888266832212, 500 |
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