Teknologi Sensor Canggih:Sangat Responsif dan Serbaguna, Bahkan di Lingkungan Cair
Andrew Corselli
Tim memasang sensor yang dibuat dengan desain transistor efek medan baru ke papan sirkuit terpadu, seperti yang digambarkan di sini, untuk menguji akurasi dan sensitivitas penginderaan. Mereka menemukan bahwa pendekatan mereka memfasilitasi sensor yang tidak hanya responsif, namun juga sangat tahan terhadap masalah penyimpangan sinyal yang dihadapi desain sebelumnya. (Gambar:Jaydyn Isiminger / Penn State)
Mengukur perubahan kecil secara akurat pada penanda biologis, seperti protein dan neurotransmiter, atau bahan kimia berbahaya dalam pasokan air dapat mengidentifikasi masalah kritis sebelum masalah tersebut berdampak pada pasien atau lingkungan. Meskipun beberapa sensor yang ada dapat memantau materi mikroskopis di balik masalah ini, sensor tersebut seringkali memiliki keterbatasan. Contoh utamanya adalah perangkat yang dikenal sebagai transistor efek medan — komponen kecil yang mengontrol aliran arus listrik dalam suatu sistem — yang kesulitan untuk tetap stabil saat terkena cairan.
Para peneliti di Penn State telah merancang transistor efek medan jenis baru yang dapat memfasilitasi penginderaan responsif dan serbaguna, bahkan di lingkungan kaya cairan seperti tubuh manusia. Sensor yang dibuat dengan transistor tim 20 kali lebih sensitif terhadap berbagai sinyal kimia dan biologis, seperti bahan kimia berbahaya dalam air atau tingkat dopamin di otak, dibandingkan sensor lain yang dibuat dengan desain transistor serupa. Tim mempublikasikan karyanya di npj 2D Materials and Applications .
Berikut adalah Ringkasan Teknologi eksklusif wawancara, diedit agar panjang dan jelas, dengan masing-masing Aida Ebrahimi dan Vinay Kammarchedu, Koresponden dan Penulis Pertama.
Ringkasan Teknologi :Apa tantangan teknis terbesar yang Anda hadapi saat mengembangkan teknologi penginderaan ini?
Ebrahimi &Kammarchedu :Kendala utama yang kami temui adalah kebocoran gerbang saat sensor gerbang ganda direndam dalam lingkungan cair. Meskipun penggunaan gerbang belakang berkalori tinggi lokal berhasil mengurangi ketebalan oksida efektif dan menekan kebocoran listrik di lingkungan kering, lingkungan cair menimbulkan komplikasi yang parah. Area elektroda gerbang belakang harus diminimalkan secara hati-hati untuk menghindari arus farada yang disebabkan oleh cacat oksida. Cacat pemrosesan mikroskopis yang bertindak sebagai isolator yang tidak berbahaya di udara dapat tiba-tiba menjadi jalur kebocoran aktif bagi ion-ion setelah ditempatkan dalam suatu larutan. Selain itu, bahan dielektrik itu sendiri rentan terhadap degradasi elektrokimia dan pengetsaan berbantuan air dalam kondisi bias, yang menyebabkan kegagalan perangkat. Kami percaya tantangan teknis yang berat ini adalah alasan utama mengapa transistor efek medan graphene gerbang ganda belum banyak diadopsi dalam penelitian atau industri hingga saat ini. Untuk mengatasi hal ini, kami mengoptimalkan lapisan oksida dan menyempurnakan protokol fabrikasi untuk menghilangkan sebanyak mungkin cacat mikroskopis. Yang terpenting, kami berhasil meminimalkan area gerbang belakang. Dengan mengurangi jejak ini secara drastis, kami secara efektif memutus jalur kebocoran aktif ion dan menekan arus faradaik, yang pada akhirnya memungkinkan kami mencapai pengoperasian sensor yang stabil dan andal di lingkungan cair.
Aida Ebrahimi, kiri, dan Vinay Kammarchedu telah mengembangkan desain transistor efek medan yang ditingkatkan yang dapat memberi daya pada sensor yang sangat sensitif dan tangguh. (Gambar:Jaydyn Isiminger / Penn State)
Ringkasan Teknologi :Bisakah Anda menjelaskan secara sederhana cara kerjanya?
E&K :Bayangkan transistor efek medan standar seperti keran air di wastafel. Ketika keran – atau gerbang, sebagaimana kita menyebutnya dalam elektronik – terbuka, arus listrik mengalir dengan bebas melalui sistem. Ketika gerbang ditutup, aliran terhenti. Untuk melakukan pengukuran dengan sensor konvensional, Anda harus terus-menerus menyesuaikan ketukan ke atas dan ke bawah, yang menyebabkan ketidakstabilan dan menyebabkan pembacaan yang tidak akurat. Untuk mengatasi hal ini, kami merancang sistem dengan dua gerbang, bukan satu, sehingga memberi kami kendali independen atas jumlah arus yang mengalir melalui sistem. Penggunaan dua gerbang memungkinkan kita menjaga arus tetap berjalan, sehingga menghilangkan penyebab utama penyimpangan sinyal. Kami kemudian menambahkan sistem umpan balik ke salah satu gerbang untuk melacak dengan tepat bagaimana molekul memengaruhi tegangan sensor. Karena gerbang atas memiliki kapasitansi listrik 10 kali lipat dari gerbang bawah, maka gerbang bawah sangat sensitif, sedangkan gerbang bawah bertindak sebagai penyeimbang elektronik yang kaku. Hubungan ini memperkuat sinyal. Jika ada perubahan kimia kecil di permukaan sensor, kami akan melihatnya dikalikan 10 dalam pengukuran kami, sehingga memungkinkan kami mengidentifikasi dengan jelas pembacaan kimia yang sangat kecil.
Ringkasan Teknologi :Apakah Anda memiliki pembaruan yang dapat dibagikan?
E&K :Kami telah berhasil menguji respons platform terhadap senyawa organik yang mudah menguap dalam fase gas. Secara khusus, kami menggunakan konfigurasi Differential Mode Fixed (DMF) untuk mendeteksi isopropil alkohol. Mengenai komersialisasi, The Pennsylvania State University telah mengajukan permohonan paten sementara yang mencakup platform penginderaan berpintu ganda yang digerakkan oleh umpan balik ini. Sedangkan untuk material masa depan, penggunaan material yang dapat diskalakan dan elektronik sederhana membuat platform ini mudah beradaptasi dengan material 2D lainnya di masa mendatang. Saat ini, kami sedang merancang eksperimen untuk mewujudkan hal ini, termasuk mengoptimalkan sensor untuk mengidentifikasi senyawa organik yang mudah menguap yang terkait dengan penyakit Parkinson dan mengeksplorasi cara sistem kami beroperasi dengan berbagai material 2D.
Ringkasan Teknologi :Apakah Anda punya saran untuk para peneliti yang ingin mewujudkan idenya?
E&K :Studi kami adalah bukti kekuatan kolaborasi dan kemampuan beradaptasi interdisipliner. Kami berhasil mewujudkan ide ini dengan menggabungkan keahlian di bidang teknik elektro, teknik biomedis, dan ilmu material untuk mengatasi keterbatasan sensor gerbang tunggal yang sudah lama ada. Saran terbesar saya adalah tetap fleksibel dan berpikir out of the box:awalnya, kami menggunakan perangkat ini untuk mekanisme penginderaan lain, namun kami harus beralih ke mekanisme umpan balik baru ini untuk mencapai stabilitas dan sensitivitas yang kami perlukan.
Ringkasan Teknologi :Apakah ada hal lain yang ingin Anda tambahkan namun belum saya bahas?
E&K :Kami ingin menyoroti betapa terukur dan praktisnya sistem kami. Arsitektur kami berhasil menjembatani kesenjangan antara material skala nano dan alat diagnostik portabel yang praktis. Kami telah berhasil mengintegrasikan beberapa sensor langsung ke papan sirkuit khusus. Kami dapat mengintegrasikan puluhan sensor dan mengukur masing-masing sensor secara independen tanpa gangguan listrik apa pun. Dengan menumpuk susunan papan sirkuit ini, kita dapat dengan mudah meningkatkan jumlah sensor dalam suatu sistem sekaligus menjaga perangkat itu sendiri tetap berukuran sangat kecil. Kami juga ingin menambahkan bahwa selama beberapa dekade, dukungan federal terhadap penelitian telah mendorong jenis inovasi ini, dan pemotongan dana federal baru-baru ini mengancam kemajuan kita dalam memecahkan masalah nyata yang berdampak pada kesehatan dan keselamatan manusia.
