Conception et mise en œuvre d'un système matricielle de mesure du pH basé sur une structure FET à grille suspendue

Projeto e implementação de um sistema matricial para medição de pH baseado de porta suspensa (SGFET)

Design and implementation of a matrix system for pH measurement based on suspended gate FET

• Auteur / Autrice : Bruno Da Silva Rodrigues
• Direction : Tayeb Mohammed-Brahim, Nilton Itiro Morimoto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes microélectromécaniques

Transistors à effet de champ

Détection du signal

pH -- Mesure

Capteurs (technologie)

Résumé

La mesure du pH par des dispositifs microélectroniques intégrés a été développée avec l'apparition des dispositifs de type ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor). Ces dispositifs sont limités par la loi de Nernst à des sensibilités de 60mV/pH. Le développement des micro-technologies a permis depuis, la réalisation de capteurs de type SGFET (Suspended Gate Field Effect Transistor). Ces structures réalisées par micro-usinage de surface et procédés MOS classique permettent d'atteindre des sensibilités bien plus élevées. Après un rappel des différentes méthodes de mesure du pH et leurs principes de base, le document décrit les procédés de fabrication microélectronique des capteurs SGFET. Puis ce travail présente la conception et la mise en oeuvre d'un système automatique de mesure du pH. Ce système est basé sur des capteurs SGFET disposés sous forme de matrice. Le document expose tout d'abord les différentes options de polarisation des capteurs puis dans une seconde partie développe l'architecture du système de mesure ainsi que des premiers résultats matriciels. Le protocole de mesure présentant le plus d'avantages s'avère ici être l'echantillonnage durant quelques secondes du courant de drain à tensions de grille et de drain constantes. Cette méthode a ainsi permis d'atteindre une reproductibilité dans la sensibilité au pH et une fiabilité dans le temps qui a pu aboutir à la réalisation de mesures sur un temps très long, de l'ordre de 150 heures. La conception d'un système d'adressage et de mesure automatisé a quant à lui permis de profiter de l'apsect matriciel des capteurs pour opérer un traitement statistique des mesures et ainsi proposer un système pleinement opérationnel.

PH measurement by integrated microelectronic devices has been developed with the advent of devices like ISFET ( Ion Sensitive Field Effect Transistor). These devices are limited by Nernst law at 60mV/pH of sensitivity. With the development of micro-technology, the production of sensors like SGFET (Suspended Gate Field Effect Transistor) became possible. These structures, realized by surface micromachining and conventional MOS processes, can achieve much higher sensitivity. After a review of different methods of measuring pH and their basic principles, the document describes the manufacturing processes of microelectronics sensors SGFET. Then this work deals with the design and implementation of an automated measurement of pH system. This system is based on sensors SGFET arranged in a matrix. This manuscript presents firstly the various options of sensors bias and in a second part, it develops the system architecture. Finally, first results on matrix are presented. Thus the best measurement protocol to ensure reliability and good sensitivity here is a few seconds duration sampling of the drain current with constant gate voltage and drain voltage. This method has achieved reproducibility in the pH sensitivity and reliability over time that could even lead to measures during a long time on the order of 150 hours. The design of an addressing and automated measurement systeme allowed to take advantage of this matrix aspect by making statistical treatment of measurements leading then to a fully operational system.