viernes, 4 de mayo de 2012

Sensor electroquímico de pH integrado con procesos CMOS estándar



Se presenta el diseño e integración en un mismo substrato de silicio, un sensor electroquímico de pH y el circuito de lectura implementado en un proceso comercial estándar metal-óxido-semiconductor complementario (CMOS) de 0.6 μm. Como sensor electroquímico se emplea un transistor de efecto de campo sensitivo a iones (ISFET) y como circuito de lectura un amplificador de instrumentación.

La estructura del ISFET está conformada por la relación geométrica del transistor y la membrana selectiva, para la cual se emplea nitruro de silicio (Si3N4) como elemento selectivo a iones. El diseño completo incluye el blindaje alrededor del sensor electroquímico y el circuito de lectura para evitar fugas de corriente hacia el substrato. El funcionamiento del amplificador de instrumentación, con polarización de ± 2.5 V presenta una ganancia de 60 dB, un rechazo a las fuentes de alimentación (PSRR) de 126 dB, y una relación de rechazo en modo común (CMRR) de 138 dB. El sistema completo está integrado en un área de silicio 0.09 mm2, presenta una linealidad de 56mV/pH en un rango de concentración de 3 a 10 pH, haciéndolo un buen prospecto para aplicaciones biológicas o médicas.

Se presenta la integración del sensor electroquímico de pH en el proceso comercial CMOS estándar de 0.6 μm. Para el circuito de lectura analógica se logró una ganancia de 60 dB, PSRR de 126 dB, CMRR de 138 dB, corriente de polarización de 60 μA y un área de 0.066 mm2. El ISFET presenta una razón geométrica W/ L de 30 y una extensión de compuerta de 100 um por lado, con la cual se asegura una correcta respuesta del sensor en un tiempo corto, ya que con estas dimensiones el ISFET tiene una baja resistencia comparada con razones geométricas de 40. El ISFET, electrodo de referencia y el circuito de lectura se en el mismo substrato de silicio, para formar el sensor electroquímico de pH, con el cual se obtuvo un sistema sensible para la medición de iones de hidrógeno en un rango de 3 a 10 pH con una sensibilidad de 56 mV/pH.

por Woo García, R. M.; López Huerta, F.; Estrada López, J. J.; Soto Cruz, B. S.

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