Brevet FR2706616A1 — publié le 19941223

CAPTEUR DE TYPE ISFET DONT LE SUBSTRAT EST ISOLE ELECTRIQUEMENT La présente invention concerne le domaine technique général des capteurs électrochimiques intégrés, appelés communément ISFET, et constitués d'au moins un transistor à effet de champ dans lequel la grille métallique est remplacée par une grille sélective d'une espèce ionique à doser et placée en contact avec la solution à analyser. La présente invention concerne, plus précisément, le capteur électrochimique ISFET, dont le transistor à effet de champ fonctionne en régime de déplétion. Dans le domaine d'application ci-dessus, un tel capteur comprend, dans un substrat semi-conducteur d'un type donné de conductivité, de préférence P, au moins un transistor à effet de champ comportant une zone de drain et une zone de source reliées entre elles par un canal qui est isolé électriquement d'une zone de grille. Les zones de source et de drain et le canal présentent un type de conductivité opposé à celui du substrat, à savoir de type N. La zone de grille est réalisée afm de constituer une surface ionosensible pouvant être constituée par une membrane organique ou minérale rapportée par collage ou par apport par dépôt chimique sous vide. I1 est ainsi possible de disposer d'une surface grille spécifique d'un produit et d'assurer ainsi facilement l'analyse de ce dernier dans un milieu déterminé. D'une manière générale, une électrode de référence est disposée dans la solution à analyser et se trouve placée à un potentiel négatif, tandis que la zone de drain est mise à un potentiel positif. D'une manière habituelle, il est prévu de monter le substrat formant le capteur sur un support et de relier les plots de contact du transistor par des fils de connexion à des pistes conductrices aménagées sur le support. il s'avère nécessaire de revêtir l'ensemble ainsi constitué par l'intermédiaire d'un matériau de protection contre l'humidité, dans la mesure où les diverses connexions concernées sont généralement immergées dans la solution à analyser. Par ailleurs, toutes les surfaces du capteur immergé dans le liquide doivent être encapsulées pour éviter l'apparition de courants de fuites qui conduiraient à une erreur de mesure. Malgré les nombreux développements réalisés dans le domaine des capteurs ISFET, il convient de constater que la production de capteurs de ce type reste limitée en raison de la persistance d'un problème majeur qui est celui de son encapsulation. Les nombreuses solutions d'encapsulation proposées jusqu'à cejour n'ont pas permis de résoudre les défauts d'enrobage qui subsistent et qui nuisent à la durée de vie et à la fiabilité de tels capteurs. C'est ainsi qu'il a été proposé, par exemple par H.H. VAN DEN VLEKKERT, B. KLOECK, D. PRONGUE, J. BERTHOUD, B. Hu, N.F. DE ROOF, A pH-ISFET and integrated pH-pressure sensor with back-side contacts, Sensors and Actuators, 14 (1988) 165-176, de réaliser un capteur ISFET dont la partie arrière du substrat comporte les contacts électriques. Cette technique impose de réaliser des contacts de source et de drain par I'intermédiaire de puits gravés à partir de la paroi arrière du substrat. Outre les difficultés de fabrication liées à cette technique, le problème de l'encapsulation périphérique du substrat reste entier. I1 a été proposé, notamment par S. SHIONO, Y. HANAZATO, M. NAKAKO, M. MAEDA, A flow-through cell for use with an enzyme-modified field effect transistor without polymeric encapsulation and wire bonding, Anal. Chim. Acta, 202 (1987) 131-140, d'utiliser une cellulle adaptée pour le passage du milieu à analyser pour éviter au capteur d'être en contact avec la solution, à l'exception de la zone de grille. La présente invention vise donc à résoudre les inconvénients énoncés cidessus en proposant un capteur électrochimique intégré conçu pour éviter d'encapsuler les parties actives du capteur, afin d'éviter les problèmes inhérents à cette opération d'encapsulation, tout en offrant l'avantage de pouvoir placer le capteur directement dans la solution à analyser. Conformément à l'invention, le capteur électrochimique comporte des moyens pour polariser en inverse la diode formée, d'une part, par le substrat et, d'autre part, par le canal et les zones de source et de drain, de manière à assurer l'encapsulation du capteur. L'objet de l'invention permet donc d'assurer une isolation électrique du capteur évitant les problèmes liés à son enrobage par un matériau de protection dont la mise en oeuvre se trouve limitée au niveau des fils de contact entre le capteur intégré et les pistes du support. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La Fig. 1 est une vue en coupe transversale d'un exemple de réalisation d'un capteur conforme à l'invention. La Fig. 2 représente un réseau de courbes montrant la variation du courant de drain en fonction de la tension de polarisation de l'électrode de référence et pour diverses valeurs de la tension de polarisation du substrat. La Fig. 3 est une vue en coupe transversale montrant au autre exemple de réalisation du capteur selon l'invention. La Fig. 4 est une vue en coupe transversale d'un capteur selon l'invention adapté pour permettre la mesure du courant de drain. La Fig. 5 est un schéma illustrant le capteur selon l'invention utilisé dans un montage différentiel. La Fig. 6 est une vue générale de dessus d'un capteur conforme à l'invention. Tel que cela apparaît plus précisément à la Fig. 1, le capteur selon l'invention comporte au moins un premier transistor 1 à effet de champ destiné à fonctionner en régime de déplétion. Le transistor 1 comporte un substrat 2 réalisé en un matériau semi-conducteur d'un type donné de conductivité, de préférence P, dans l'exemple illustré. Le substrat 2 réalisé par exemple en silicium comporte, à partir de l'une de ses faces, deux zones dopées 3 et 4 constituant respectivement la source et le drain du transistor à effet de champ 1. Les zones de source 3 et de drain 4 sont reliées entre elles par un canal 5. Les zones de source 3, de drain 4 et le canal 5 présentent un type de conductivité opposé par rapport à celui du substrat, à savoir N dans l'exemple illustré. Le canal 5, ainsi que les zones de source 3 et de drain 4, sont isolées électriquement par l'intermédiaire d'une couche d'un matériau diélectrique 6, d'une zone de grille 7 destinée à être en contact avec une solution 9 à analyser. D'une manière classique, le drain 4 est porté à un potentiel Vd délivré par une source de tension continue 11 connectée par sa borne positive à un contact 12 de drain ménagé dans le substrat 2, tandis que l'autre borne de la source est portée à un potentiel M, en particulier la terre. La source 3 est pourvue d'un contact électrique 13 permettant sa connexion au potentiel M. La grille 7 est directement en contact avec la solution 9 dans laquelle est placée une électrode de référence 14 polarisée par une source de tension continue 15 dont la borne négative est reliée à l'électrode 14 et la borne positive est reliée au potentiel M. L'électrode de référence 14 est donc polarisée à un potentiel Vg qui est négatif pour permettre un fonctionnement du transistor 1 en mode de déplétion. Conformément à l'invention, le transistor à effet de champ 1 comporte des moyens permettant de polariser en inverse la diode formée, d'une part, par le substrat 2 et, d'autre part, par les zones de source 3 et de drain 4 et le canal 5, de manière à assurer une encapsulation électrique du capteur. Dans l'exemple illustré à la Fig. 1, les moyens de polarisation sont constitués par une source de tension continue 17 dont la borne négative est reliée à un contact 18 ménagé sur le substrat 2, tandis que la borne positive est reliée au potentiel M. La source 17 met ainsi le substrat 2 de type P à un potentiel négatif Vb, tandis que les zones de source 3 et de drain 4 et le canal 5 de type N sont placés à un potentiel positif. La tension de polarisation négative Vb appliquée au substrat 2 a le même effet sur le courant de canal Id que la tension négative Vg appliquée à l'électrode de référence 14. Le courant de fuite dans le circuit défini par l'électrode de référence 14, le substrat 2 et la source 3 est relativement faible en comparaison de la forte impédance de la diode polarisée en inverse et formée par le substrat 2 et la source 3. Le substrat 2 comporte ainsi en lui-même une seconde armature permettant de contrôler le courant de canal Id Tel que cela apparaît plus précisément à la Fig. 2, l'augmentation en valeur absolue de la tension de polarisation négative Vb conduit à une diminution de la tension de seuil Vt et à une translation parallèle concomitante des caractéristiques de transfert Id en fonction de Vg. I1 est à noter que les courbes de transfert sont données uniquement pour les valeurs négatives de Vg pour lesquelles le transistor fonctionne en mode de déplétion. I1 doit être considéré, également, que si le potentiel VI > est supérieur au potentiel Vd positif, la jonction P-N définie ci-dessus se trouve polarisée en direct, de sorte que le courant drainsource ne circule pas par le canal mais à travers le substrat. Dans ce cas, le courant entre le drain et la source ne se trouve pas affecté par le potentiel de la grille. La Fig. 3 illustre une autre variante de réalisation du capteur selon l'invention permettant de s'affranchir de l'influence de la variation de la résistance présentée par la solution 9 sur le courant de canal Id. A cet effet, le substrat 2 et l'électrode de référence 14 sont placées à un même potentiel, de sorte que la tension Vb est égale à la tension Vg. Dans l'exemple illustré à la Fig. 3, la borne négative de la source de tension 15 est reliée à l'électrode de référence 14 et au contact de substrat 18, de sorte que le substrat 2 et l'électrode 14 sont placés au même potentiel Vg. Dans une telle disposition, la tension appliquée au canal 5, par l'intermédiaire de l'électrode de référence 14, est aussi appliquée au substrat 2. il s'ensuit que la valeur absolue de la tension de seuil Vt décroît, comme cela apparaît clairement à la Fig. 2. La Fig. 4 illustre un exemple de schéma pratique permettant de mesurer le courant de drain Id. Selon cet exemple, l'électrode de référence 14 et le substrat 2 sont polarisés négativement directement par la source 11 de polarisation du drain 4 à un potentiel Vd. A cet effet, il est prévu de relier le contact 13 de la source 3 à une résistance 20 aux bornes de laquelle la tension de sortie Vout peut être mesurée. I1 est à noter que la réalisation d'un contact séparé 18 sur le substrat 2 peut permettre de supprimer l'effet du courant photonique traversant la jonction canal-substrat. Cet effet est limité si la résistance de contact 18 présente une valeur inférieure à 105 ohms et, de préférence, à 104 ohms. La Fig. 5 illustre un capteur conforme à l'invention utilisé dans une configuration de mesure différentielle. Selon cette utilisation, le transistor à effet de champ 1 est associé à un transistor à effet de champ 1' de conception analogue au transistor 1 et dont la grille est adaptée pour être sélective à une espèce ionique à doser et contenue dans la solution 9. Les drains 4 et 4' sont reliés à la borne positive de la source de tension 11, dont la borne négative est placée au potentiel M. Les drains 4 et 4' sont donc placés à un potentiel Vd, tandis que les substrats 2 et 2' sont placés ensemble au potentiel M. Les sources 3 et 3' sont reliées respectivement chacune au potentiel M par l'intermédiaire d'une résistance 22, 22'. La tension de sortie Vout est mesurée aux bornes des deux sources 3 et 3'. Selon cette configuration, le substrat 3 du transistor 1 joue le rôle de l'électrode de référence. I1 apparaît donc que toute instabilité de potentiel appliqué à la solution à doser par cette pseudo-électrode de référence est éliminée dans le signal différentiel de sortie d'un tel circuit. Tel que cela apparaît ci-dessus, l'objet de l'invention permet ainsi de s'affranchir de l'opération d'encapsulation des parties actives du capteur. Tel que cela ressort de la Fig. 6, la mise en oeuvre d'un matériau de protection 25 se trouve limitée au niveau des fils de contact entre le ou les capteurs intégrés et les pistes 26 d'un support 27 de montage des capteurs. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 - Capteur électrochimique du type comprenant, dans un substrat semiconducteur (2) d'un type (P) donné de conductivité, au moins un premier transistor à effet de champ (1) destiné à fonctionner en régime de déplétion et comportant une zone de drain (4) et une zone de source (3) reliées entre-elles par un canal (5) qui est isolé électriquement d'une zone de grille (7) destinée à être en contact avec une solution (9) à doser, les zones de drain (4) et de source (3) présentant un type (N) de conductivité opposé à celui du substrat, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (11-17, 11-15, 11) pour polariser en inverse la diode formée, d'une part, par le substrat (2) et, d'autre part, par les zones de source (3) et de drain (4) et le canal (5), de manière à assurer une encapsulation électrique du capteur. 2 - Capteur électrochimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de polarisation en inverse sont constitués par une source de tension continue (17) reliée par un contact (18) au substrat (2) et par une source de polarisation (11) de la zone de drain (4). 3 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de polarisation en inverse sont constitués, d'une part, par une source de polarisation (11) de la zone de drain (4) et, d'autre part, par une source de tension continue (15) apte à mettre au même potentiel (Vg) le substrat (2) et une électrode de référence (14) destinée à être placée dans la solution à doser (9). 4 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de polarisation en inverse sont formés par une source (11) de polarisation, d'une part, de la zone de drain (4) et, d'autre part, de l'électrode de référence (14) et du substrat (2). 5 - Capteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le contact (18) du substrat (2) présente une résistance ohmique adaptée pour limiter l'effet d'un courant photonique. 6 - Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la résistance présente une valeur inférieure à 105 ohms et, de préférence, à 104 ohms. 7 - Capteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un second transistor à effet de champ (1') dont la zone de grille (7') est pourvue d'une membrane sélective à l'espèce ionique à doser, les transistors à effet de champ (1, 1') étant montés pour assurer une mesure différentielle dans laquelle le substrat (2) du premier transistor joue le rôle d'une électrode de référence.