Pomiary I-V DC

W tej sekcji opisano typowe pomiary DC I-V stosowane do scharakteryzowania czujników bioFET, w tym wyznaczanie charakterystyki przenoszenia (Id-Vg) i charakterystyki wyjściowej (Id-Vd), a także pomiary prądu drenu w funkcji czasu (Id-t).

Charakterystyka przejściowa (Id-Vg)

Prawdopodobnie najczęstszym pomiarem elektrycznym czujników bioFET jest pomiar charakterystyki przenoszenia, która przedstawia prąd drenu w funkcji napięcia bramki. Charakterystyka przenoszenia zwykle wiąże się ze stężeniem patogenu lub innego badanego czynnika biologicznego.

W pokazanym tutaj teście jedna jednostka SMU przemiata napięcie bramki, natomiast druga mierzy wynikowy prąd drenu przy stałym napięciu drenu. Rysunek 8 przedstawia cztery różne krzywe, odpowiadające czterem różnym stężeniom patogenu. Krzywe te wygenerowano przy użyciu analizatora parametrów 4200A-SCS.

Rysunek 8. Charakterystyki przejściowe

Biblioteka w pakiecie Clarius zawiera oprogramowanie z testem, który mierzy charakterystykę przenoszenia FET, a także projekt, który zawiera testy zarówno dla charakterystyki przenoszenia, jak i charakterystyki wyjściowej. Te testy i projekt można znaleźć, wpisując słowo „bioFET” w pasku wyszukiwania Biblioteki (Library) w widoku Wybierz (Select) oprogramowania. Zrzut ekranu widoku konfiguracji (Configure) tego testu pokazano na rysunku 9.

Rysunek 9. Widok konfiguracji testu do pomiaru Id-Vg układu bioFET w oprogramowaniu Clarius

Charakterystyka wyjściowa (Id-Vd)

Innym testem jest wyznaczanie charakterystyk wyjściowych tranzystora FET, czyli prądu drenu w funkcji napięcia drenu, jak pokazano na rysunku 10. Krzywe te wygenerowano przy użyciu dwóch SMU za pomocą analizatora parametrów 4200A-SCS.

W tym przypadku jednostka SMU1 podłączona do bramki stopniuje napięcie, podczas gdy jednostka SMU2 podłączona do drenu przemiata napięcie i mierzy wynikowy prąd.

Przy testowaniu funkcji tranzystora FET wiele stopni napięcia bramki umożliwia wygenerowanie rodziny krzywych i pokazuje zależność prądu drenu od napięcia bramki. Alternatywnie można utrzymywać napięcie bramki na stałym poziomie, ale wtedy należy zmieniać czynnik biologiczny w celu zaobserwowania jak różne czynniki lub ich stężenia wpływają na prąd drenu.

Rysunek 10. Charakterystyki wyjściowe

Prąd drenu w funkcji czasu (Id-t)

Można monitorować dynamiczną odpowiedź czujnika bioFET, przedstawiając wykres prądu drenu w funkcji czasu, jak pokazano na rysunku 11. Wartość prądu drenu będzie się zmieniać wraz ze zmianą stężenia analitu.

W tym zastosowaniu zarówno napięcie zasilania bramki, jak i drenu pozostają stałe gdy mierzymy prąd drenu. Zmienia się tylko analit.

Rysunek 11. Prąd drenu w funkcji czasu

Optymalizacja pomiarów

W tej sekcji opiszemy optymalne sposoby wykonywania pomiarów, w tym przeprowadzenie testu „ślepego” (inaczej: pustego), minimalizacja zaszumionych odczytów, zapewnienie wystarczającego czasu ustalania oraz zgodność z danymi znamionowymi w celu uniknięcia uszkodzeń urządzeń.

Uruchomienie „pustego” testu

Po skonfigurowaniu systemu warto uruchomić „pusty” test, aby upewnić się, że wszystko zestawiono i skonfigurowano prawidłowo. Taki test ustali prąd bazowy na podstawie pomiaru charakterystyk I-V urządzenia, aby upewnić się, że działa ono prawidłowo bez dodawania żadnego czynnika biologicznego. W razie potrzeby można skorygować obwód pomiarowy i ustawienia przed dodaniem czynnika biologicznego – lecz w zależności od typu urządzenia może to być możliwe lub nie.

Minimalizacja zaszumionych odczytów

Zaszumione pomiary są prawdopodobnie jednym z najczęstszych problemów podczas pomiaru małych prądów. Prąd drenu lub prąd upływu bramki czujnika bioFET może mieścić się w zakresie nano- i pikoamperów. Zakłócenia odczytów mogą wynikać z kilku przyczyn i wymagać pewnego doświadczenia, aby określić ich źródło.

Zakłócenia elektrostatyczne występują wtedy, gdy do badanego obwodu zbliża się obiekt naładowany elektrycznie. W obwodach o wysokiej impedancji ładunek ten nie zanika szybko i może powodować niestabilne pomiary. Błędne odczyty mogą wynikać z pól elektrostatych DC lub AC, zatem ekranowanie elektrostatyczne pomoże zminimalizować wpływ tych pól.

Ekran elektrostatyczny może być zwykłą metalową skrzynką, która otacza obwód testowy. Zestawy sond często zawierają osłonę elektrostatyczną / EMI lub opcjonalną „czarną skrzynkę”. Ekran należy podłączyć do zacisku LO obwodu pomiarowego, czyli do zacisku Force LO modułu SMU. Zacisk Force LO jest zewnętrznym ekranem kabla trójosiowego jednostki SMU lub znajduje się na jednostce uziemiającej (GNDU). Wszystkie kable muszą być niskoszumowe i ekranowane. Każdy moduł 42XX-SMU wyposażono w dwa niskoszumowe kable trójosiowe.

Innym sposobem ograniczenia szumu jest kontrolowanie źródeł zewnętrznych. Szum powstaje w wyniku zakłóceń wywoływanych przez silniki, ekrany komputerów lub inny sprzęt elektryczny znajdujący się w laboratorium lub w jego bliskim sąsiedztwie. Można je kontrolować poprzez ekranowanie i filtrowanie albo przez usuwanie lub wyłączanie źródła szumu.

Podsumowując, aby zminimalizować szumy:

• Wszystkie naładowane przedmioty, w tym ludzi i przewody, należy trzymać z dala od wrażliwych obszarów obwodu pomiarowego.
• Należy unikać ruchu, a także wibracji w pobliżu obszaru pomiarowego.
• Kontrolować lub usuwać zewnętrzne źródła szumu.
• Należy zwiększyć czas całkowania pomiaru (można go regulować w trybie Custom Speed w oknie Test Settings oprogramowania Clarius).
• Zaekranować badane urządzenie, otaczając je przewodzącą obudową i podłączając tę obudowę elektrycznie do wspólnego zacisku obwodu testowego (Force LO), jak pokazano na rysunku 12. Ekran może być po prostu zwykłą metalową skrzynką lub siatkowym ekranem otaczającym obwód pomiarowy.

Rysunek 12. Ekran przewodzący podłączony do zacisku Force LO

Ograniczenie prądu

Aby zapobiec uszkodzeniu urządzenia podczas pomiaru charakterystyki I-V, należy ustawić progi zgodności w celu ograniczenia wartości prądu, który może przepływać przez urządzenie. Można to zrobić w oprogramowaniu Clarius, ustawiając faktyczne ograniczenia w każdej jednostce SMU na bezpiecznym poziomie. Zaprogramowanie ograniczenia zapewnia, że prąd nie przekroczy zdefiniowanego poziomu.

Wystarczający czas ustalania

Podczas pomiaru małego prądu (<1 µA) ważne jest, aby zapewnić wystarczający czas ustalania parametrów obwodu, czyli zapewnić stabilizację pomiarów po przyłożeniu lub zmianie prądu lub napięcia (np. wtedy gdy jest przemiatane napięcie bramki i mierzy się prąd drenu). Czynniki wpływające na czas ustalania obwodu obejmują pojemność bocznikującą obwodu pomiarowego i rezystancję urządzenia. Pojemność bocznikująca obejmuje kable, osprzęt testowy, sondy i matryce przełączające.

Czas ustalania parametrów obwodu pomiarowego można określić wizualnie na podstawie wykresu zależności czasowej prądu od skoku napięcia. Po określeniu czasu ustalania wartości tej można użyć jako czas opóźnienia przy przemiataniu napięcia w oknie nastaw testu (Test Settings) oprogramowania Clarius.

Podsumowanie

Badania i rozwój bioczujników wykorzystujących tranzystory polowe nasiliły się ze względu na ich niski koszt, szybką reakcję i dokładność detekcji. Czujnik bioFET przekształca reakcję biologiczną na podany analit na sygnał elektryczny, który można łatwo mierzyć za pomocą przyrządów DC I-V. Jednostki SMU w analizatorze parametrów 4200A-SCS stosuje się do pomiarów charakterystyk I-V czujników bioFET. Odpowiednie nastawy przyrządu i zastosowanie właściwych technik pomiarowych umożliwi optymalizację pomiarów.

Więcej informacji na temat prowadzenia optymalnych pomiarów przy niskim natężeniu prądu można znaleźć w podręczniku Keithley Low Level Measurements Handbook, który jest dostępny na witrynie internetowej Tek.com.

Jedynym autoryzowanym Dystrybutorem oraz Serwisem produktów Tektronix na terenie Polski jest firma Tespol Sp. z o.o.

www.tespol.com.pl