• JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
 
  Bookmark and Share
 
 
Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2022.tde-20042022-084216
Document
Author
Full name
Leonardo Shimizu Yojo
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2022
Supervisor
Committee
Martino, João Antonio (President)
Silva, Maria Lucia Pereira da
Gimenez, Salvador Pinillos
Santos Filho, Sebastião Gomes dos
Silva, Ana Neilde Rodrigues da
Title in Portuguese
Otimização de transistores BESOI MOSFET como plataforma para aplicação em biossensores.
Keywords in Portuguese
Biossensor
Sensor de glicose
Sensores biomédicos
Tecnologia SOI
Transistores
Abstract in Portuguese
Define-se biossensores como aqueles dispositivos que são capazes de transformar reações químicas derivados de reações biológicas em sinais elétricos, são utilizados em diversas aplicações, como na área médica ou indústria alimentícia, para promover melhoria na qualidade de vida das pessoas. Dentre os múltiplos tipos de biossensores, os construídos baseados em transistores por efeito de campo (BioFET) são particularmente interessantes devido a todos os benefícios proporcionados pela evolução da micro e nanoeletrônica nas últimas décadas. O BESOI MOSFET (Back- Enhanced Silicon-On-Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) foi desenvolvido e fabricado no Laboratório de Sistemas Integráveis (LSI) da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Este transistor planar construído com tecnologia de silício sobre isolante se diferencia pela simplicidade de fabricação e flexibilidade de operação, ou seja, dependendo da polarização aplicada na segunda porta (porta de programação), um mesmo dispositivo pode funcionar como transistor de canal do tipo n ou do tipo p. Este trabalho propõe utilizar o BESOI MOSFET para a aplicação como biossensor, aproveitando as características de sua estrutura, em particular as regiões de subposição do canal (entre a porta e os contatos de fonte/dreno), para depositar um composto biossensível, criando assim um dispositivo sensível a diferentes materiais biológicos. Numa primeira etapa, simulações numéricas baseadas em transistores fabricados forneceram dados a respeito do comportamento elétrico deste tipo de dispositivo quando inserida uma amostra biológica, variando-se a permissividade (k) e as cargas (Qbio) no material biossensível. As simulações mostraram alterações nas correntes de dreno em função dos parâmetros analisados. A avaliação das dimensões físicas mostrou que o comprimento das regiões de subposição do canal tem maior influência na sensibilidade dos sensores. A otimização das dimensões resultou no aumento da sensibilidade (segundo definição adotada) do dispositivo baseado em permissividade polarizado tipo n de 1,43 para 18,43 unidades, enquanto que para os dispositivos polarizados tipo p, o aumento foi de 1,62 para 13,82 unidades no melhor caso. Já a otimização dos sensores baseados nas cargas produzidas pela reação biológica permitiu o aumento da sensibilidade em duas vezes nos dispositivos do tipo n, indo de 0,79 para 1,78 unidades; e de 12,69 para 1812 unidades para dispositivos do tipo p no melhor caso. A partir das metas propostas e parâmetros analisados, em uma segunda etapa do trabalho foi fabricado um sensor propriamente dito, seguido de sua caracterização elétrica e análise de sua aplicação como dispositivo biossensor. A prova de conceito foi realizada por meio de um sensor baseado em cargas elétricas de glicose. Dentre os métodos de imobilização da enzima glicose oxidase adotados, o método por meio de ligação cruzada resultou em maior sensibilidade (1,8 adimensional no melhor caso) do que o método por ligação covalente da enzima com a superfície do sensor (0,52 adimensional no melhor caso), porém o segundo método apresentou melhor uniformidade de deposição. Ambos os métodos resultaram no aumento da corrente de dreno em função da polarização de porta de forma proporcional à concentração de glicose na solução aplicada sobre os sensores.
Title in English
BESOI MOSFET transistors optimization for biosensor platform application.
Keywords in English
BESOI MOSFET
Glucose biosensor
SOI technology
Transistors
Abstract in English
Biosensors are defined as the devices that are capable of transforming chemical reactions from biological interactions into electrical signals. They have many applications, such as the medical area and food industry, and they provide a better life quality. Among the numerous types of biosensors, the ones based on the field effect transistors are particularly interesting due to the benefits brought by micro and nanoelectronics evolution over the last decades. The BESOI MOSFET (Back-Enhanced Silicon-On-Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) was developed and fabricated in Laboratorio de Sistemas Integraveis (LSI) at Escola Politecnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). This planar transistor built on a silicon on insulator technology stands for the simple fabrication process and for the operation flexibility, i.e., a single device can act as a n-channel transistor or a p-channel transistor, depending on the bias at the back gate (programming gate). This work proposes the use of the BESOI MOSFET as a biosensor, taking advantage of its structure, in particular the channel underlap regions (between the front gate electrode and the drain/source contacts), to create a device sensitive to different biological elements. In the first part, numerical simulations based on the fabricated transistors measurements will help with the understanding of its electrical behavior when a biological sample is inserted. The permittivity constant (k) and the charges (Qbio) of the biological material were analyzed. The simulations showed that the drain current varied as a function of the analyzed parameters. The evaluation of the physical parameters also showed that the gate underlap length is the main parameter that affects the sensitivity of the devices. The optimization of the dimensions resulted in a sensitivity (according to de definitions adopted in this work) increase in the permittivity-based sensors from 1.43 to 18.43 units for the n-type bias, and from 1.62 to 13.82 units for the p-type bias., in the best case. The charge-based sensors optimization provided a two times increase in the sensitivity for the n-type bias, from 0.79 to 1.78 units; and from 12.69 to 1812 units for the p-type bias, in the best case. From the proposed methods and adopted parameters, in the second part of the work, a BESOI MOSFET sensor was fabricated, followed by its electrical characterization and the analysis of the results. The proof of concept was performed by means of a glucose charge-based biosensor. Among the glucose-oxidase enzyme immobilization methods that were used, the crosslinking process resulted in a higher sensitivity (1.8 in the best case) in comparison with the enzyme covalent bonding with the device surface method (0.52 in the best case). However, the second method presented a more uniform deposition. Both methods resulted in a drain current increase as a function of the gate bias, that was proportional to the glucose concentration of the solutions on the sensors.
 
WARNING - Viewing this document is conditioned on your acceptance of the following terms of use:
This document is only for private use for research and teaching activities. Reproduction for commercial use is forbidden. This rights cover the whole data about this document as well as its contents. Any uses or copies of this document in whole or in part must include the author's name.
Publishing Date
2022-04-20
 
WARNING: Learn what derived works are clicking here.
All rights of the thesis/dissertation are from the authors
CeTI-SC/STI
Digital Library of Theses and Dissertations of USP. Copyright © 2001-2023. All rights reserved.