Hoppa till innehåll
EN In english

Halvledarnanosensorteknik för ett smart samhälle

Diarienummer
FFL15-0174
Projektledare
Zhang, Zhen
Start- och slutdatum
170101-211231
Beviljat belopp
12 000 000 kr
Förvaltande organisation
Uppsala University
Forskningsområde
Materialvetenskap och materialteknologier

Summary

The proposed research concerns a novel nanowire-based sensor that will enable exploration of the ultimate limit of ion-sensitive field-effect transistor (ISFET) in detecting surface adsorption of a single ion in electrolytes. Realizing single-ion detection will pave the way to numerous applications of societal importance such as genome sequencing, label-free DNA detection and food quality control. Our new sensor device, called SNW-IGBA for Suspended NanoWire-based Ion-Gated Bipolar Amplifier, intimately integrates an SNW-based ISFET array with a lateral bipolar junction transistor (LBJT). The SNW array will perform sensing with an enhanced sensitivity and a short response time. The intimate merge of the ISFET array with the LBJT provides instantaneous internal amplification of the ISFET signal to suppress interference from external noise sources. This SNW-IGBA is expected to achieve sensing with intense signal, large signal-to-noise ratio and short response time at levels presently unachieved. The overall objective of the project is to fabricate and characterize the SNW-IGBA as well as to investigate the electrolyte-sensor interface properties towards detecting single ions. Of extremely challenging nature, achieving this objective is of scientific and technological importance in advancing knowledge, innovation and competence in electronic sensing for a smart society. A set of specific tasks supporting the pursuit of the overall objective is outlined in the proposed project.

Populärvetenskaplig beskrivning

Små biochip utgör hela laboratorier i miniatyrformat och kan utföra hundratals eller miljontals analyser parallellt. De ger därför möjligheter till att på kort tid analysera ett stort antal biologiska prover för ett stort antal syften. Biochipen kan, bland annat, användas för tidig upptäckt av cancer och andra sjukdomar, säkerhetskontroller samt för elektronisk avsmakning och kvalitetstester av mat. Ett idealiskt biochipsystem är specifikt, snabbt, tillförlitligt, billigt och enkelt att använda. Dagens kommersiellt tillgängliga biosensorer bygger i regel på olika former av optisk detektion, men är tyvärr ofta dyra och kräver vanligtvis tillgång till högt specialiserad instrumentering och laboratorier. Detta resulterar ofta i ”chip-i-ett labb”-system snarare än de små, billiga mera allmänt tillgängliga ”labb-på-ett-chip”-system som eftersträvas i det här projektet. Elektronik är idag nödvändig för nästan alla varianter av biochip, men än så länge mest i form av stödelektronik. Den senaste tekniska utvecklingen har inriktats på att även kunna använda halvledartransistorer som elektroniska biosensorer. Potentialen för denna sensorlösning är enorm eftersom sensorn då blir en naturlig del av själva elektroniken, vilket innebär att man kan få hög känslighet och snabbhet, samt mycket låga kostnader för biochiptillverkningen och bioanalyserna. Denna sensorutveckling har nyligen burit frukt i form av ett intressant genombrott som gör att genomsekvensering nu kan göras snabbare och till en avsevärt lägre kostnad än tidigare med hjälp ett mikroelektroniskt chip. I det här projektet kommer en helt ny typ av elektronisk sensor, en SNW-IGBA sensor, att utvecklas och testas för mätningar av mycket låga jonkoncentrationer. En SNW-IGBA sensor är uppbyggd av nanometertjocka (10-9 m) kiseltrådar för kraftigt ökad känslighet i avsikt att få fram ett kompakt, mycket känsligt och snabbt biochipsystem som kan skilja på olika typer av enstaka joner. Sensorchipet, som också ska innehålla kretsar som hanterar signalbehandling och dataanalys, ska vara möjligt att tillverka med de tillverkningsprocesser och metoder som redan finns utvecklade inom den avancerade kiselteknologin och mikroelektroniken. Detta kommer att möjliggöra tillverkning i stora volymer till låg kostnad i befintliga kommersiella halvledarfabriker. Projektarbetet förväntas leda till en världsledande utveckling av kiselteknik för hälsotillämpningar.