Microssensores Químicos

Marcelo Bariatto Andrade FontesLSI / INCOR / USP

e-mail: bariatto@lsi.usp.br

Tecnologias para Microssistemas e SensoresWorkshop Conjunto TESEO (CYTED) e SIIAM (PD&I-TI-CNPq)

Definições ISENSOR

– Dispositivo que converte uma grandeza não elétrica (física ou química) em um sinal elétrico.

MICROSSENSOR– Sensor cuja dimensão da área

de detecção é menor que 100 µm2

Sinal primário

Sinal secundário(elétrico)

Sequência de detecção

SENSOR QUÍMICO E SENSOR BIOLÓGICO (BIOSSENSOR)

– Dispositivo que converte uma grandeza química ou biológica em um sinal elétrico.

– Dispositivo de medida que utiliza reações químicas ou biológicas para detectar e quantificar uma substância.

– Dispositivo de medida que utiliza materiais químicos (metais, polímeros de baixo peso molecular, óxidos) ou biológicos (biomoléculas – enzimas, anticorpos), para detectar e quantificar uma substância.

Definições II

Vantagens da miniaturização

Portabilidade → implantesVolume pequeno de analitosResposta rápida / baixo consumoUtilização de tecnologias de CI´S e MEMS– Dimensões reduzidas– Alta reprodutibilidade e rendimento– Produção em escala– Baixo preço– Sensores com eletrônica integrada (sensores

inteligentes)

HISTÓRICO DO DESENVOLVIMENTO DE SENSORES QUÍMICOS E BIOLÓGICOS

1916 Primeira de imobilização de proteínas : adsorsão da enzima invertase ao carvão ativo.1922 Primeiro sensor de pH em vidro.1925 Primeiro sensor de pH para medidas em sangue.1954 Invenção sensor de oxigênio Invenção sensor de pressão parcial de oxigênio (pCO2)1962 Primeiro biossensor amperométrico : detecção da glucose (enzima glucose

oxidaze).Método de geração de membranas de bi-camadas lipídicas.1964 Sensores de água, hidrocarbonetos, moléculas polares as sulfeto de hidrogênio

(modificação da superfície de um cristal piezoelétrico).1969 Primeiro biossensor potenciométrico : detecção da uréia (eletrodo modificado com a

enzima urease).1972 Primeiro analisador comercial para a detecção de glicose (Yellow Springs

Instruments)1975 Primeiro biossensor microbiológico para a detecção da levedura (eletrodo modificado

com a enzima concanavalin A).1979 Primeiros sensores SAW (ondas acústicas superficiais) para detecção de gases.1980 Sensor de fibra óptica para detecção in vivo de pH no sangue.1982 Sensor de fibra óptica para detecção de glicose.1983 Teoria e técnicas de fabricação dispositivos em escala molecular.1986 Primeiro biossensor para a detecção de aminoácidos baseados na utilização de

matéria-prima animal (antenas de caranguejo azul).1987 Primeiro biossensor baseado em reconhecimento molecularUtilização de enzimas

condutoras na modificação de eletrodos.

Classificação

Qual sensor utilizar ?

Sensor cuja condutividade é alterada por uma espécie química (gás)– 1953 Barttain e Bardeen à mudança de resistividade

em materiais expostos a gases :• semicondutores

• óxidos metálicos (SnO2, ZnO, TiO2, In2O3),

• cristais orgânicos (fitalocianina),

• polímeros condutores (polifenilacetileno, polipirrol)

QUIMIO-RESISTORES

Óxidos metálicos : SnO2– Padrão industrial

• 1968 Figaro Engineering Inc. : 50 milhões vendidos– Adição de traços de metais catalíticos (Pt, Pd) → seletividade– Temperatura de operação : 300 oC a 400 oC – Potência : 1 W , microssensor : 100 mW– Baixo custo– Vida útil : 3 a 5 anos

QUIMIO-RESISTORES

QUIMIO-RESISTORES

QUIMIO-RESISTORES

Seletividade / sensibilidade →f (T)

Cristais orgânicos: ftalocianina– Alta resistividade → eletrodos interdigitados– Vantagens :

• facilidade de deposição : screen printing, spinning, LB

• baixa temperatura de operação : ~150 oC• facilidade de modificação de sua estrutura

química

Polímeros condutores: polipirróis– Início dos anos 80– Aplica-se os itens acima (materias

orgânicos)– Facilidade de deposição : eletrodeposição

QUIMIO-RESISTORES

QUIMIO-RESISTORES

Cristais orgânicos: ftalocianina

Polímeros condutores: polipirróis

Sensor cuja constante dielétrica (à capacitância) é alterada por uma espécie química (gás).

– Menos suscetível à contaminações superficiais do que os quimioresistores.

– Materiais : polímeros condutores (spinning)• polifenilacetileno (CO, CO2, N2, CH4)

– Estrutura interdigidada

– Baixa seletividade e altamente sensível à humidade.

– Medidas :

• ∆C ⇒↑ [gás] , ↓ f , T

QUIMIO-CAPACITORES

QUIMIO-CAPACITORES

Sensor no qual alguma propriedade elétrica de estruturas heterogêneas são modificadas por uma espécie química (gás, íons). – junções PN, – metal isolante semicondutor (MIS)– metal isolante metal (MIM)– ou metal semicondutor (MS) – diodo Schottky)

Quimio-Diodos

Quimio-DiodosSemicondutorPd

Sensor no qual alguma propriedade elétrica da estrutura de um transistor, usualmente transistor de efeito de campo (FET) é modificada por uma espécie química (gás, íons).

– Proposto por Lundström em 1975

– Conceito da estrutura MOSFET (Metal-Óxido-Semicondutor FET) : 1930

– Estrutura ISFET (ion selective FET) proposta por Bergveld em 1970.

QUIMIO-TRANSISTORES

Quimio-transistoresPorous Pd

gate electrode

Quimio-transistores

Chemfets - materiais

Quimio-transistores

Análise clínica– Gota de sangue

• Na+, Cl-, K+, Ca+

• Uréia, Glicose• pH• CO2, O2

• ….

Sensores térmicos

Flow and Gas Microsensors

• Gas and liquid applications

• Suitable for smallflow values

• Low power consumption

• Fast response

• Possibility of integration in microchannels

Heater

Sensor

Sensor

Experimental results

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000,00

1,88

3,76

5,64

7,52

9,40

11,28

13,16

15,04

16,92

18,80

N 2 H e S F 6

∆T (Κ

)

Gas Flow (sccm )

Sensores de massaSensor piezoelétrico (quartz)– Temperatura de operação T < 50 oC– fo~10 MHz– Propagação no “corpo” do material

Sensores de massaSensor SAW (LiNbO3)– fo~100 MHz a GHz → 1pg– Propagação na superfície do material– Detecção de : NO2, H2, H2S, SO2, CH4, C2H6

SAW - materiais

Sensores ópticos

Ls

Substrato

Isolante

Guia “rib”

Cobertura

W

Chemical Optical sensor based on a MZ interferometer

Evanescent field Chemical Optical Sensor

IntroduccióIntroducció

LL’’ananààlisi per injeccilisi per injeccióó en flux es basa en la insercien flux es basa en la insercióó dd’’una una mostra en una solucimostra en una solucióó portadora mportadora mòòbil, que bil, que éés posteriorment s posteriorment

transportada fins al detector, on es registra la variacitransportada fins al detector, on es registra la variacióó contcontíínua nua dd’’un parun parààmetre fmetre fíísic o qusic o quíímic, com a conseqmic, com a conseqüèüència del pas de la ncia del pas de la

mostra a travmostra a travéés ds d’’ell. ell.

mostra

carrier

reactiu 1

reactiu 2

reacció 1 reacció 2

detector

INJECCIÓ

DISPERSIÓ

DETECCIÓ

RENTAT

Mostra Fase 1

Fase 2

Fase 3

Fase 4

AUTOMATITZACIÓ DE LA MESURA: SISTEMES DE FLUXAUTOMATITZACIÓ DE LA MESURA: SISTEMES DE FLUX

Tècnica FIATècnica FIA

TempsSe

nyal

HLB

Gas Contamination Pre-Concentrators

Basic Structure

•Use of microchannels (silicon and modified) to concentrate pollutants (hydrocarbons present in the air)

•Easily portable and mobile detection system

•Low cost batch fabrication

Detecção Eletroanalítica de metais pesados

A detecção eletroquímica começa com o processo chamado "pré-concentração

Após o tempo de pré-concentração, o potencial é invertido na direção anódica de oxidação onde o metal que se concentra no eletrodo é removido, processo este chamado de remoção “stripping”

Curva de oxidação para o aumento de concentração

Aumentando a concentração específica de íons causa uma intensificação do pico de redução

Curva de Calibração

Finalmente uma curva de calibração (corrente x concentração) pode ser obtida do pico atual ou da área abaixo da curva de redução

Water Quality Microsensor

Fluid Merging Passive Mixer Measuring Cavity

Sensor Array

Nozzle

Inlets

Fluid Outlet

LTCC

Electrical outputs Detection ElectrodeAg/AgCl Electrode Detection Electrode Counter Electrode Fluid Outlet

Resultados (Hg)

BIOLOGICAL IMPORTANCE OF THE NITRIC OXIDE

– neurotransmission– macrophage function– muscle relaxation– long term memory

• ELECTROCHEMICAL DETECTION → AMPEROMETRY

AMPEROMETRIC DETECTION

• Reference Electrode: close as possible from detection electrodes

• Auxiliary Electrode : far / 10 x larger• Reference Electrode: close as possible

NO → NO2- → NO3

-

NO + H2O →← HNO2 + H+ + e- Eo = 0.99 V

HNO2 + H2O →← NO3

- + 3 H+ + 2 e- Eo = 0.94 VNO + ½ O2 → NO2

[ N O ]

S E N S IT IV IT Yf (A R E A , V ap p )

I

SENSOR DESIGN

FEATURES

GENERAL PURPOSE ELECTROCHEMICAL SYSTEM

– GOLD WORKING µELECTRODES– Ag/AgCl REFERENCE ELECTRODE– GOLD COUNTER ELECTRODE

STATIC OR FLOW ANALYSIS

MULTIPOINT DETECTION

MULTISPECIES DETECTION

SENSOR3 x 10 mm

Contacts PadsAu

(0.5 x 0.5) mm

AuxiliaryAu

(2 x 0.5) mm

Si3N4 ReferenceAg/AgCl

WorkingAu

(10 x 10)µm

Lines20 µm

Sensor fabricationI.C. TECHNOLOGY– COMPUTER GENERATED PHOTOMASKS (2) - LOW COST– BATCH FABRICATION - HIGH REPRODUCIBILITY

IN VITRO DETECTION

ELECTROCHEMICAL DETECTION : EXPERIMENTAL SETUP

Electrochemical workstation

Faraday cage

NO gasGas tight burette

Electrodeconnections

Reaction chamber

NO solution

stirring

Purging system(N2)

IN VITRO DETECTION

ELECTROCHEMICAL DETECTION : DPV PARAMETERS

Potentialsweep

Pulse amplitude

Current sampling

Pulse period

Pulse width

Parameter Condition

no 1 no 2

Potential sweep (mV/s) 20 12.5

Pulse amplitude (mV) 50 75

Pulse width (ms) 50 80

Pulse period (ms) 200 400

Current sampling (ms) 17

Potential range (mV) 400 - 900

SENSOR’S RESPONSE : NITRIDECONDITION NO 1 CONDITION NO 2

805 mV820 mV

CURRENT X 2

NITRIDE SENSITIVITY

3.92 x 10 -5 A / M

8.67 x 10 -5 A / M

SENSITIVITY ~ x 2

ELECTRODE MODIFICATION : NAFION®

60 µM

CURRENT : ÷ 8SENSITIVITY : ÷ 2

SENSOR'S RESPONSE : NITRIC OXIDE

CONDITION NO 1 CONDITION NO 2

CURRENT X 2

760 mV780 mV

NITRIC OXIDE SENSITIVITY x 10 -4 A / M

Ο condition no2condition no1

Ο condition no2condition no1

1.393.91

DETECTION LIMIT ~ 10 µM

7.02

3.751.8 X

2.5 X

NITRIC OXIDE X NITRIDECondition : NO 2

Concentration : 40 µM

760 mV 805 mV

35 µM

Aplicações médicas

Aplicações médicas

Aplicações médicas

Aplicações médicas

Aplicações médicas

Aplicações médicas

MOTIVATION

DEVELOPMENT OF AN ARRAY OF MICROELECTRODES– SMALL VOLUME OF THE SAMPLE – MULTISPECIES AND MULTIPOINT ANALYSIS– SILICON PLANAR TECHNOLOGY

BIOLOGICAL APPLICATIONS– NEURAL ACTIVITIES

– INTRACELLULAR ELECTROCHEMICAL RECORDING – IONIC DISTRIBUTION– ELECTRICAL DETECTION AND STIMULATION

– DETECTION OF BIOLOGICALLY RELEVANT MOLECULESSUCH AS (NITRIC OXIDE)

Catheter based cardiac mapping system

• Electrophysiological behavior of the heart

• origin of the arrhythmia• alterations in the cardiac rhythm

• Minimal invasive diagnosis• Possibility of ablation in situof the heart tissue

Origin of the action potential

Sodium / Potassium pump

Heart disease - arrhythmia

Healthy Diseased

Array fabrication

dicing lines

Sketch of under developing final catheter potential mapping

Up to 200(10 µm x 10 µm) microelectrodes

(φ = 0,5 mm)

64 µeletrodos multiplexados

Active catheter

University Tohoku / Japan Viagem Insólita - Encarte Revista da Folha - 30/01/2000, pag.14-15

Sensors and Actuators A56 (1996) 113-121

Fabrication details

Array of 1024 electrodes for O2 mapping

80 x 40µm

Hermes, T.; et al.;Sensors and Actuators B, vol. 21, pp. 33-37, 1994.

Eletrofisiologia do músculo cardíaco in vitro

1mm

25mm

Microelectrodes Array

Microelectrodes Array

Microelectrodes Array

Wet & Dry Etching

Si : Iso- & Anisotropic Etching

Conventional MicromachiningBulk x Surface

Surface Micromachining ...Sacrificial layer technology

MICROMACHINING TECHNIQUES

Boron etch stop

Plasma etching

Deep boron diffusion– high temperature and time

Lateral diffusion– “large”dimensions

Strong crystal orientation dependence

Low temperature processBetter shape definition and thickness control– without lateral diffusion

Quick processLow silicon crystalline orientation dependence

PROBE DESIGN

Needle shape general purpose electrochemical system

Multipoint and multispecies detection

2 to10 gold µelectrodes

– 90 to 340 µm tipAg/AgCl referencePlatinum auxiliary

FABRICATION STEPS

Boron etch stop

Plasma etching

mask 1 → probe shapemask 2 → lines / contactsmask 3 → windows

mask 1mask 1mask 2mask 3mask 1

FABRICATION RESULTS - SEM and AFM

High reproducibility

Roughness :12.5 nm

(rms)– 16 % ↑ area

FABRICATION RESULTS - Si PROBES

Plasma etching

Etch stop

SIMS analyses[B]=1.25 1020 at./cm3

FABRICATION RESULTS - COMPLETE SEQUENCE

Uncompensated mechanical stress– coverage and lines damaged

FABRICATION RESULTS - FINAL DEVICE

Gracias Obrigado Thanks !