Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
Опорой кристалла с микросхемой (1) является стеклянная трубка наружным
диаметром 3 мм. В трубке размещен изолированный медный провод (2),
согнутый у одного конца под
398
Глава 26
4
Рис. 26.11. Схема типичного сенсора на основе ХЧПТ. 1 - стеклянная
трубка; 2 - медные провода; 3-герметик (эпоксидная смола); 4-микросхема
ХЧПТ; 5 -алюминиевый провод; 6-герметик (эпоксидная смола); 7-
негерметизированная область затвора.
прямым углом и закрепленный эпоксидной смолой (3). Затвердевшую
эпоксидную смолу сошлифовывают и полируют так, что образуется плоская
поверхность, из которой выступают концы медного провода, служащие
контактными площадками для соединения с кристаллом. Затем с помощью
цианакрилатного клея на наружной поверхности стеклянной трубки монтируют
микросхему ХЧПТ (4). Электрические соединения между кристаллом и медным
проводом создают с помощью алюминиевого провода (5) диаметром 25 мкм и
установки для ультразвуковой сварки. Затем все
Рис. 26.12. Схема процесса герметизации с помощью полиимидиой пленки,
который в принципе может быть автоматизирован (по данным [7]).
Химически чувствительные полевые транзисторы
399
медные и алюминиевые провода и весь кристалл, за исключением области
затвора (7), герметизируют эпоксидной смолой (6). Герметик изолирует
микросхему от затвора; он должен сохранять изоляционные свойства на
протяжении всего времени работы системы в водных растворах. После
затвердевания эпоксидной смолы обычно устанавливают химически
чувствительные мембраны; эта операция описана ниже в соответствующих
разделах. Большинство операций выполняют под сюреомикроскопом с 10-40-
кратным увеличением, облегчающим сборку крохотных элементов сенсора.
Хо и другие [7] описали технологию монтажа ХЧПТ, которую в принципе можно
автоматизировать. Как упоминалось выше, автоматизация операции
герметизации позволила бы значительно снизить стоимость сенсоров ХЧПТ и
тем самым сделать их производство экономически выгодным. Эта технология
схематично представлена на рис. 26.12. Кристалл с микросхемой
устанавливают на подложке (полиимидной ленте), после чего на него
накладывают вторую полиимидную ленту с медными выводами, которые затем
соединяют с контактными площадками микросхемы с помощью ультразвуковой
или термокомпрессионной сварки. Наконец, накладывают третью полиимидную
ленту с окнами; ее прочно скрепляют с поверхностью кристалла так, что
весь кристалл оказывается герметизированным, за исключением химически
чувствительных затворов ПТ. Пока что описанные операции выполняют вручную
под микроскопом, но в принципе весь описанный процесс можно
автоматизировать.
26.4. Схемы управления и измерения
Измерения с помощью ХЧПТ обычно выполняют одним из двух способов. В
первом способе напряжение затвора остается постоянным и измеряют ток
стока, а во втором путем изменения напряжения затвора с помощью системы
обратной связи поддерживают постоянный ток стока. Описанная ниже
аналоговая схема управления и измерения представляет собой, по-видимому,
простейшую работоспособную систему такого типа. Несмотря на то, что в
настоящее время разработаны и испытаны гораздо более сложные схемы и не
представляет никаких затруднений управление с помощью микропроцессоров,
рассматриваемая здесь схема является простым и в то же время вполне
удовлетворительным способом управления ХЧПТ.
26.4.1. Режим с постоянным напряжением затвора
На рис. 26.13 представлена простая схема такого режима [6]. К стоку и
электроду сравнения прикладывают постоянные напряжения VD и VG
соответственно. Подложку и исток соединяют зажимом, а вывод подают на
операционный усилитель, выполняющий функции преобразователя ток-
напряжение. Выходное напряжение операционного усилителя равно - RtID.
Изменение потенциала на границе раздела мембрана-раствор определяют по
изменению тока стока. К сожалению, ток стока нелинейно зависит от
напряжения затвора во всем диапазоне. Поэтому рассчитать изменение
потенциала на границе раздела по изменению тока стока можно лишь в том
случае, если известна зависимость между этими двумя переменными в любой
точке рабочего диапазона. Преимуществом такого способа измерения является
возможность одновременного контроля нескольких ХЧПТ (с одинаковым
постоянным напряжением затвора), находящихся в одном растворе, с помощью
одного электрода сравнения.
26.4.2. Режим с постоянным током стока
Простая схема, работающая в таком режиме, представлена на рис. 26.14 [6].
Как и в предыдущем случае, здесь к стоку приложено постоянное напряжение,
а ток стока
400
Глава 26
Рис. 26.13. Электрическая схема для измерения ID при постоянном
напряжении затвора. А-операционный усилитель; = 1 кОм, R2 = 470 Ом.
измеряют с помощью операционного усилителя At. Выходное напряжение
операционного усилителя V1 подается на делитель напряжения, включающий
сопротивления R2 и R3. Напряжение на другом конце делителя контролируется
I^ct. Поскольку R2 и R3 равны, то напряжение между ними будет равно
