Stiftelsen för Strategisk Forskning (SSF) har delat ut 3 miljoner kronor till var och en av tolv yngre, hemvändande forskartalanger genom forskningsprogrammet Ingvar Carlsson Award. De flesta forskningsprojekten har en inriktning mot livsvetenskaperna och bioteknik och en av stipendiaterna är Zhen Zhang. Hans intressanta projekt handlar om ett nytt CMOS-koncept som innehåller en biosensor och är döpt till ”elektronik för smart hälsa”.

En av årets Ingvar Carlsson Award-stipendiater är Zhen Zhang
Foto: Karin Nordin, SSF
Zhen Zhang tog sin doktorsexamen vid KTH och har därefter arbetat vid IBM Research i New York ,där mycket avancerade, framtida, billigare och effektivare CMOS-processer och kretsar utvecklas. Projektet handlar om att skapa ett biosensorkoncept och en sensorlösning till ett biochip som kan utföra ett stort antal analyser på en och samma gång. Syftet med biochips helt uppbyggda med elektronik är att de kan ge möjlighet att tidigt upptäcka cancer och andra sjukdomar, men kan även användas för andra tillämpningar såsom till exempel elektronisk avsmakning för säkerhet och kvalitet på mat.

Enligt SSF är potentialen enorm inom det här området, inte minst då en biosensor nu blir en naturlig del av övrig elektronik och inte bara stödelektronik, vilket är fallet i dagens kommersiella, optiskt baserade sensorer.

Den nya sensortekniken har enligt Zhen Zhang en mycket hög känslighet och kan vara mycket mer specifik i en jämförelse med konkurrerande teknologier. Dessutom ger tekniken utmärkta signal-brusförhållanden (SNR) då avkännig och förstärkning integreras i en och samma enhet. Ett biochip med den nya sensortekniken har även en mycket låg produktionskostnad jämfört med de idag tillgängliga, kommersiella lösningarna. Det på grund av att standard CMOS-processer kan användas vid tillverkningen.

– Det finns många kiselsmedjor i Asien, USA och Frankrike som kan producera den här typen av enheter, säger Zhen Zhang, Tack vare den här kompatibiliteten går det att sömlöst integrera kretsen med biosensorn med vanliga datahanteringskretsar på ett chip.

De flesta av dagens biosensorer baseras på optisk detektion. Den tekniken är dyr, kräver tillgång till speciella laboratorier och då många prover måste tas för att få en tillräckligt stark signal kan fel introduceras i provsvaren. Den proceduren tar ofta 2-3 dagar medan konceptet med det nya Fin-IGBA-konceptet ska kunna ge svar på proverna direkt vilket kan behövas vid akut uppkomna situationer.

– Svenska industrier är mycket konkurrenskraftiga inom mikroelektronik och skapa små, effektiva elektroniska system vilket även gäller instrument inom biokemi, som är en del av den här kompetensen. Och svensk forskning på det här området håller världsklass, säger Zhen Zhang.

Forskningen kommer att ske vid Uppsala universitet – och då vid Ångströmlaboratoriet – men projektet kommer också att behöva kompetens inom området biokemi för gränssnittet ut från sensorn.

Enligt Zhen Zhang ger Fin-IGBA ( Ion Gated Bipolar Amplifier) en betydligt större förstärkning än andra tekniker. För att utveckla den här nya enheten kommer forskarna bland annat att utnyttja väl kontrollerbar torretsning (DRIE) och kunna få fram tredimensionella kiselstrukturer, benämnda nanotrådar, som med sina sensorer är avkännande kanaler i storleken några nanometrar i diameter. Därmed går det att på samma chip skapa en stor mängd sensorkanaler och den mest optimistiska målsättningen är att kunna detektera en enda laddning i en molekyl eller en jon. Och preliminära värden från Ångströmlaboratoriet visar att en lösning med IGBA kan ge upp till 60 gånger så hög förstärkning och då utan att sensorn har integrerats in, jämfört med jon-avkännande fälteffekttransistorer, enligt Zhen Zhang.

Forskningsprojektet kommer att pågå under 3 år och fokusera på själva sensordelen samt resultera i en lösning som kan demonstreras. För att nå fram till en kommersiell produkt bedömer Zhen Zhang att det behövs ytterligare medel. En kommersiellt gångbar produkt kan då kanske finnas klar om cirka 5 år.

Filed under: SvenskTeknik