FET형 센서와 ISFET형 pH Sensor의 측정원리

FET형 센서와 ISFET형 pH Sensor의 측정원리

FET형 센서

FET형 마이크로 센서란 반도체집적회로공정과 같은 미세가공기술에 의하여 제조되는 초소형으로서 FET(field-effect  transistor)와 같은 원리에 의하여 동작하는센서를 총칭한다.

이 FET형 센서는 신소재기술, 정교한 미세가공기술, 전자회로집적기술, 인공지능기술 등과 같은 첨단기술과 접목되어 제조되는 것으로서 센서의 초소형화, 다차원화, 다기능화, 지능화, 시스템화 등에 많은 장점을 가지고 있다.

이 FET형 마이크로센서는 단일 칩상에 많은 센서소자를 집적할 수 있고, 여러개의 같은 종류의 센서를 배열함으로써 다차원화하고, 여러 가지 종류의 센서를 함께집적함으로써 다기능화하며, 지능회로와 함께 집적함으로써 지능화하고, 관련회로나 장치들을 함께 집적함으로써 시스템화 할 수 있어서 최첨단센서로서 크게각광을 받고 있다.

이 FET형 센서는 1970년대에 들어와서 발아되기 시작하였다. FET형 센서 중에서 가장 대표적인 것이 ISFET(ion sensitive field-effect transistor)인데, 이는 ISE(ion selective electrode)와 MISFET를 교묘하게 결합시킨 반도체 마이크로센서로서 종래의 ISE에 비하여 월등한 장점(빠른 반응, 초소형 초경량, in-vivo 및 in-situ 측정가능, 단일칩 스마트화 등)을 가지고 있다. 수소이온센서인 H-ISFET는 최초의 FET형 센서로서 이미 pH미터용으로 실용화되어 있다.

그림 2는 ISFET의 단면구조를 나타낸 것인데, MOSFET의 게이트 전극이 이온감지막과 기준전극 그리고 피측정용액으로 대치된 것 외에는 MOSFET와 같다.

실제 ISFET와 MOSFET의 동작원리가 아주 흡사하다. 용액과 감지막 계면의 전기화학적전위차가 용액 중의 이온농도에 따라서 변하는데 이 전위차의 변화가문턱전압(threshold voltage, Vt)의 변화를 낳고 즉 유효게이트전압(effective gate voltage, Vg-Vt)의 변화를 유발하고, 이는 전장효과에 의하여 채널컨덕턴스를변화시킴으로써 드레인전류의 변화를 일으킨다. 이 드레인전류의 변화분을 측정함으로써 용액 중의 특정이온농도의 변화를 감지하게 된다.

특정이온에 선택적으로 민감한 이온감지막을 교체형성함으로서 각종 ISFET를 개발할 수 있다.

화학센서나 바이오센서의 경우 센서는 초소형으로 제조할 수 있다고 해도 마이크로센서로 활용하기 위해서는 동시에 마이크로기준전극이 개발되어야 한다.

또 센서를 어느 정도라도 스마트화하기 위해서는 FET센서 신호처리 회로가 단일 칩으로 집적되어야 하며, 여러 가지 센서, 기준전극, 신호처리회로 등을 단일 칩에집적하기 위해서는 해당 집적회로의 설계 및 공정기술이 개발되어야 한다.

마이크로기준전극, FET센서 인터페이스회로, 웨이퍼단위 제조공정관련 기술이 상당한 수준으로 확보 또는 개발되고 있다.

FET형 센서기술에 대한 연구는 그 높은 기술적 가능성과 잠재력 때문에 전세계가 엄청난 투자와 정열을 쏟아 붓고 있다.

그래서 머지 않은 장래에 높은 수준의 연구결과들이 쏟아져 나올 것이고 FET형 마이크로센서기술이 찬란한 고도 센서기술을 선도하게 될 것이다

ISFET형 pH Sensor의 측정원리

반도체 소자의 소스와 드레인 사이의 전류는 게이트 부의 전하, 즉 pH 값에 의해 결정된다.
pH 값은 유리 막을 사용하는 것 외에, 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터 (ISFET)를 사용하여 측정할 수 있다. ISFET pH Sensor는 간단한 트랜지스터에서 소스와 드레인은 절연체에 의해 게이트에서 분리되어 있다.

유리재질의 멤브레인 막에서는 H + 이온이 유리 막에 축적된다. 결과, 막 외부 양전하를 반영하여 막 내부에 음전하가 발생한다.

이 현상이 ISFET에서는 게이트에 유리 막처럼 H + 이온이 축적하여 반도체 채널이 전기 전도체가 되고 전도성 정도에 따른 "전해 효과"가 발생한다.

액체의 pH가 낮을수록 게이트에 쌓이는 H + 이온이 증가하여 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류도 증가한다.

유리 멤브레인 전극과 달리 이 경우에는 액체와 센서 사이에 실제 이온의 이동등은 없고, 화학과 전기 측정이 완전히 별개로 진행된다.

결과적으로 센서의 재질은 변하지 않고 유리 전극의 교정과정처럼 자주 다시 교정을 할 필요는 없다.
ISFET pH Sensor는 , 유리 막 + KCl 이온 층처럼 계층이 아니므로, 물의 비율이 낮은 매체에서 pH를 측정하는 데 적합하다.

최근 ISFET pH Sensor는 안정적이고 견고한 다양한 재질로 공급되고 있다.

ISFET형 pH Sensor의 장점

  - 유리 멤브레인 재질의 센서에 비해 파손의 위험성이 적다

  - 유리 멤브레인 재질의 센서에 비해 센서표면 건조의 영향이 없다

  - 유리 멤브레인 재질의 센서 ​사용이 어려운 낮은온도에서도 사용이 가능하다 ( -10 ~110℃ )

  - 유리 멤브레인 재질의 센서에 비해 보관기관이 길다

  - 매우 소량의 샘플도 측정이 가능하다

​  - 센서의 반응성 및 안정성이 우수하다

​ISFET형 pH Sensor의 단점

  - 내화학성이 떨어진다 ( pH 14근처, 45℃ 이상의 온도 조건에서는 사용이 어렵다) 

  - 고온, 고압의 조건에서 사용이 어렵다 ( -10 ~110℃, < 10 bar )

  - 유리 멤브레인 재질의 센서에 비해 높은 염분농도, 불소함유, 강산화제 등이 포함된 샘플에는 사용이 어렵다

  - 전도도 값이 낮은 샘플 (순수, 초순수등)에는 사용이 어렵다