STUDIO E PROGETTO DI UN BIOSENSORE ELETTRONICO BASATO SU TRANSISTOR FLOATING GATE

Floating-gate transistors (FGTs) are a promising class of electronic sensing architectures that separate the transduction elements from molecular sensing components, but the factors leading to optimum device design are unknown. We developed a model, generalizable to many different semiconductor/dielectric materials and channel dimensions, to predict the sensor response to changes in capacitance and/ or charge at the sensing surface upon target binding or other changes in surface chemistry. The model predictions were compared to experimental data obtained using a floating-gate (extended gate) electrochemical transistor, a variant of the generic FGT architecture that facilitates low-voltage operation and rapid, simple fabrication using printing. Self-assembled monolayer (SAM) chemistry and quasi-statically measured resistor-loaded inverters were utilized to obtain experimentally either the capacitance signals (with alkylthiol SAMs) or charge signals (with acid-terminated SAMs) of the FGT. Experiments reveal that the model captures the inverter gain and charge signals over 3 orders of magnitude variation in the size of the sensing area and the capacitance signals over 2 orders of magnitude but deviates from experiments at lower capacitances of the sensing surface (<1 nF). To guide future device design, model predictions for a large range of sensing area capacitances and characteristic voltages are provided, enabling the calculation of the optimum sensing area size for maximum charge and capacitance sensitivity.

I transistor a floating-gate (FGT) rappresentano una promettente classe di architetture di sensori elettronici che separano gli elementi di trasduzione dai componenti di rilevamento molecolare; tuttavia, i fattori che portano al design ottimale del dispositivo rimangono sconosciuti. Abbiamo sviluppato un modello, generalizzabile a molti diversi materiali semiconduttori/dielettrici e dimensioni del canale, in grado di prevedere la risposta del sensore alle variazioni di capacità e/o carica sulla superficie di rilevamento a seguito del legame del target o di altre variazioni nella chimica superficiale. Le previsioni del modello sono state confrontate con dati sperimentali ottenuti utilizzando un transistor elettrochimico a floating-gate (extended gate), una variante dell'architettura generica FGT che facilita il funzionamento a bassa tensione e una fabbricazione rapida e semplice mediante stampa. La chimica dei monocrati auto-assemblati (SAM) e gli inverter caricati a resistenza misurati in modo quasi-statico sono stati utilizzati per ottenere sperimentalmente o i segnali di capacità (con SAM di alchil-tioli) o i segnali di carica (con SAM terminati in acido) del FGT. Gli esperimenti rivelano che il modello coglie il guadagno dell'inverter e i segnali di carica su oltre 3 ordini di grandezza di variazione nella dimensione dell'area di rilevamento e i segnali di capacità su oltre 2 ordini di grandezza, ma devia dagli esperimenti a capacità inferiori della superficie di rilevamento (<1 nF). Per guidare la progettazione futura dei dispositivi, vengono fornite le previsioni del modello per un'ampia gamma di capacità dell'area di rilevamento e tensioni caratteristiche, consentendo il calcolo della dimensione ottimale dell'area di rilevamento per la massima sensibilità di carica e capacità.