Field effect transistor with integrated microfluidic channel as pH sensor

International audienceThis paper presents an original design of chemical sensors with an integrated microfluidic channel. Targeted applications are pH-meters devices. The integration of the microfluidic channel allows decreasing the volume required for each measurement. The sensing part of the device consists of a field effect transistor (FET) with a suspended gate directly performed above the fluidic channel. Chemicals under test are driven through the sensing area between the electrical channel of the FET and the suspended gate. By this way products that flow in the microfluidic channel directly module the concentration of charges inside the transistor's gap and thus induce changes in the transfer characteristic. This paper describes the fabrication process and the technological choices for materials. Electrical tests, performed in air and in liquid, have shown a good behavior of the transistor, linked to a good mechanical sustain of the fluidic channel. The system is able to detect transition between air and liquid media. Moreover, it has shown a high sensitivity (about 300 mV/pH) to pH measurements

Fabrication of field effect transistor with integrated microfluidic channel dedicated to the detection in liquid

Ce travail de recherche porte sur la réalisation de dispositifs électroniques spécifiques et originaux (Transistors à effet de champ à microcanaux) dédiés à la détection des espèces chimiques et biochimiques en milieu liquide. Ce dispositif s'appuie sur la technologie des transistors à grille suspendue (SGFET) déjà réalisés à l'IETR, en y apportant une amélioration majeure qui consiste en l'intégration au sein de la structure d'un canal microfluidique. Cette structure, nommée transistor à canal microfluidique intégré, doit permettre de conserver la forte sensibilité de détection du SGFET mais aussi de garantir le passage du liquide testé sous la grille. Cette architecture permet aussi d'augmenter sa robustesse et sa fiabilité tout en ne nécessitant que de très petits volumes de solutions. Des microcanaux avec un bon maintien mécanique ont été réalisés par micro-usinage de surface en utilisant différents matériaux comme couche sacrificielle. Ces canaux ont été intégré dans un FET et leurs accès microfluidiques ont été assurés en réalisant des ouvertures (inlet/outlet) par la face avant. Les tests électriques ont montré un bon fonctionnement de ces capteurs avec une grande sensibilité de mesure du pH mais le passage du liquide est alors majoritairement dû aux phénomènes de capillarité. Une amélioration sur l'architecture de la structure a été faite, en réalisant des ouvertures par la face arrière. Un bon fonctionnement avec une grande sensibilité de mesure de pH ont été présentés. Finalement, une structure hybride contenant une ouverture sur la face avant et une autre sur la face arrière, a été élaborée et les tests d'injection de la solution ont été un succès.This work presents the achievement of specific and original electronic devices (Field effect transistor with microfluidic channel), dedicated to the detection of chemical and biochemical species in liquid. This device relies on the technologies of suspended gate transistor, developed in IETR, with a major improvement in the structure by adjunction of a microfluidic channel integrated in the structure. This structure named transistor with integrated microfluidic channel must enable to guarantee the flow of liquid under the gate, while keeping the high sensitivity of the SGFET. This architecture also allows increasing its robustness and reliability while requiring only a very small amount of chemicals solutions. Microchannels with good mechanical properties were fabricated by surface micromachining using different materials as a sacrificial layer. These channels have been integrated into a FET and microfluidic accesses (inlet / outlet) were provided by making openings via the front face. Electrical tests showed good functioning of these sensors with high sensitivity of pH measurement. However in this case, liquid flow is mainly achieved by capillarity. An improvement on the architecture of the structure was made with opening on the rear face. A good behaviour with high sensitivity of pH measurement was presented. Finally, a hybrid structure containing one opening access in the front face and one on the rear face was elaborated and the injection of the solution was successful

Élaboration et réalisation de transistors à effet de champ à canal microfluidique intégré dédiés à la détection en milieu liquide

This work presents the achievement of specific and original electronic devices (Field effect transistor with microfluidic channel), dedicated to the detection of chemical and biochemical species in liquid. This device relies on the technologies of suspended gate transistor, developed in IETR, with a major improvement in the structure by adjunction of a microfluidic channel integrated in the structure. This structure named transistor with integrated microfluidic channel must enable to guarantee the flow of liquid under the gate, while keeping the high sensitivity of the SGFET. This architecture also allows increasing its robustness and reliability while requiring only a very small amount of chemicals solutions. Microchannels with good mechanical properties were fabricated by surface micromachining using different materials as a sacrificial layer. These channels have been integrated into a FET and microfluidic accesses (inlet / outlet) were provided by making openings via the front face. Electrical tests showed good functioning of these sensors with high sensitivity of pH measurement. However in this case, liquid flow is mainly achieved by capillarity. An improvement on the architecture of the structure was made with opening on the rear face. A good behaviour with high sensitivity of pH measurement was presented. Finally, a hybrid structure containing one opening access in the front face and one on the rear face was elaborated and the injection of the solution was successful.Ce travail de recherche porte sur la réalisation de dispositifs électroniques spécifiques et originaux (Transistors à effet de champ à microcanaux) dédiés à la détection des espèces chimiques et biochimiques en milieu liquide. Ce dispositif s'appuie sur la technologie des transistors à grille suspendue (SGFET) déjà réalisés à l'IETR, en y apportant une amélioration majeure qui consiste en l'intégration au sein de la structure d'un canal microfluidique. Cette structure, nommée transistor à canal microfluidique intégré, doit permettre de conserver la forte sensibilité de détection du SGFET mais aussi de garantir le passage du liquide testé sous la grille. Cette architecture permet aussi d'augmenter sa robustesse et sa fiabilité tout en ne nécessitant que de très petits volumes de solutions. Des microcanaux avec un bon maintien mécanique ont été réalisés par micro-usinage de surface en utilisant différents matériaux comme couche sacrificielle. Ces canaux ont été intégré dans un FET et leurs accès microfluidiques ont été assurés en réalisant des ouvertures (inlet/outlet) par la face avant. Les tests électriques ont montré un bon fonctionnement de ces capteurs avec une grande sensibilité de mesure du pH mais le passage du liquide est alors majoritairement dû aux phénomènes de capillarité. Une amélioration sur l'architecture de la structure a été faite, en réalisant des ouvertures par la face arrière. Un bon fonctionnement avec une grande sensibilité de mesure de pH ont été présentés. Finalement, une structure hybride contenant une ouverture sur la face avant et une autre sur la face arrière, a été élaborée et les tests d'injection de la solution ont été un succès

Réalisation de micro-canaux sur substrats de Silicium

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Gold-induced crystallization of amorphous germanium deposited on glass : bilayer and multilayer films

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Transistors à effet de champ à canal microfluidique intégré dédié à la détection d’espèces chimiques et biologiques

National audienc

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Micro-fluidic Channel Integrated Directly in a Suspended Gate Field Effect Transistor Structures

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Réalisation de micro-canaux sur substrats de Silicium

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Highly sensitive biochemical sensing system using suspended gate field effect transistor with integrated microfluidic channel

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