CN101685077B - 使用薄膜感测部件的化学传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种使用薄膜感测部件的化学传感器，所述化学传感器可包括：第一电极，在基底上；感测部件，覆盖基底上的第一电极；多个第二电极，在感测部件的表面上，暴露感测部件的表面。化学传感器可构造为当将被感测的化合物被吸附到感测部件上时测量电特性的变化。还提供一种包括化学传感器的阵列的化学传感器阵列。

Description

使用薄膜感测部件的化学传感器
技术领域
示例性实施例涉及一种包括传感部件的化学传感器，该传感器部件具有相对大面积和在上电极使用的纳米结构(例如，纳米线)。
背景技术
已经进行通过测量人的呼吸中的化合物的成份来诊断疾病的研究。例如，在肺癌患者和乳腺癌患者的情况下，与健康人不同，大约10种挥发性有机化合物在呼吸时被释放。因此，分析挥发性有机化合物的组份的化学传感器可被用于检测疾病。现有的化学传感器可使用化合物的下述特性测量化合物的量，即，化合物分子的电导率或比电阻根据化合物的吸附而变化。
挥发性有机化合物(VOC)可能相对稳定，因此，会难以使用电方法分析其组份。可使用气相色谱(GC)来分析VOC，但是，传感器可能相对大并且昂贵。
使用半导体的传感器具有一些优点。例如，使用半导体的传感器可能相对便宜，以及可实时执行检测。另外，使用半导体的传感器可相对小。但是，与使用半导体的传感器有关的检测灵敏度会相对低，并且会难以检测稳定材料，例如，VOC。
已提出使用导电聚合物的VOC测量传感器。当导电聚合物吸附VOC时，由于各种原因(例如，导电聚合物的膨胀)导致导电聚合物的功函数变化，从而可通过测量导电聚合物的功函数的变化来检测VOC。但是，使用导电聚合物的传感器也难以达到几个ppm的检测能力。所述难度的原因在于，感测通道的体积过大以至于无法检测根据吸附的材料的小的电改变。
发明内容
示例性实施例包括一种化学传感器，该化学传感器具有通过使用具有大的感测面积的薄膜感测部件而增加的检测灵敏度。示例性实施例还公开了一种化学传感器阵列。
根据示例性实施例，一种化学传感器可包括：第一电极，在基底上；感测部件，在基底上覆盖第一电极；多个第二电极，在感测部件的表面上，暴露感测部件的表面。根据示例性实施例，化学传感器可被构造为测量当将被感测的化合物吸附在感测部件上时电特性的变化。
根据示例性实施例，一种化学传感器阵列可包括在基底上以阵列形式布置的多个上述的化学传感器。根据示例性实施例，化学传感器的感测部件可被构造为检测相互不同的化合物。
附图说明
通过下面结合附图对示例性实施例进行的描述，这些和/或其他方面将会变得清楚和更易于理解，其中：
图1是根据示例性实施例的化学传感器结构的示意透视图；
图2是根据示例性实施例的图1的化学传感器的平面图；
图3是根据示例性实施例的化学传感器阵列的排列的示意平面图；
图4是根据示例性实施例的化学传感器的示意平面图；
图5是根据示例性实施例的化学传感器的示意平面图；
图6是根据示例性实施例的化学传感器的示意平面图；
图7A至图7C是根据示例性实施例的用于描述制造图1的化学传感器的方法的透视图。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述示例性实施例，在附图中示出了示例性实施例。然而，示例性实施例可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在这里所阐述的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将示例性实施例的范围充分地传达给本领域技术人员。在附图中，为了清晰起见，会夸大组件的大小。
应该理解的是，当元件或层被称作在另一元件或层“上”、“连接到”或“结合到”另一元件或层时，该元件或层可以直接在另一元件或层上、直接连接或结合到另一元件或层，或者可以存在中间元件或中间层。相反，当元件被称作“直接”在另一元件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一元件或层时，不存在中间元件或中间层。如在这里使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任意组合和所有组合。
应该理解的是，尽管在这里可使用术语第一、第二等来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应该受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区分开来。因此，在不脱离示例性实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可被称作第二元件、组件、区域、层或部分。
在这里可使用空间相对术语，如“在…之下”、“在…下方”、“下面的”、“在…上方”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应该理解的是，空间相对术语意在包含除了在附图中描述的方位之外的装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则描述为“在”其它元件或特征“下方”或“之下”的元件随后将被定位为“在”其它元件或特征“上方”。因而，术语“在…下方”可包括“在…上方”和“在…下方”两种方位。所述装置可被另外定位(旋转90度或者在其它方位)，并对在这里使用的空间相对描述符做出相应的解释。
在此描述的实施例通过理想示意图的方式参照平面图和/或剖面图进行。因此，根据制造技术和/或公差可修改示图。因此，示例性实施例不应该被局限于在此示出的示图，而包括基于制造工艺导致的构造上的修改。因此，在图中示出的区域具有示意性属性，并且在图中示出的区域的形状示意性示出元件的形状和区域，而不限于示例性实施例。
现在对附图中示出的示例性实施例进行详细的描述，其中，相同的标号始终表示相同部件。在这点上，示例性实施例可具有不同形状，并且不应解释为限于在此阐述的描述。因此，下面通过参照附图仅对示例性实施例进行描述以解释本发明的各方面。
图1是根据示例性实施例的化学传感器的100的示意透视图。参照图1，第一纳米线120可相互平行地设置在基底100上。第二纳米线140可在第一纳米线120之上被设置为相互平行，从而与第一纳米线120交叉。如图1所示，第二纳米线140可与第一纳米线120分离。感测部件130可覆盖第一纳米线120，并且可形成在第一纳米线120与第二纳米线140之间。
第一纳米线120和第二纳米线140中的每一个可具有大约10nm至大约10μm的宽度，并且可由金属，例如，铝、钴、金或铂形成。但是，示例性实施例不限于此。例如，第一纳米线120和第二纳米线140可由碳纳米管或图案化的石墨烯形成。
第一纳米线120之间的间隙G1与第二纳米线140之间的间隙G2可为大约10nm至大约10μm。另外，可形成感测部件130以提供第一纳米线120与第二纳米线140之间的大约10nm至大约1μm的间隙G3。可将第一纳米线120和第二纳米线140称为第一电极和第二电极。
感测部件130可由金属氧化物、导电聚合物或绝缘聚合物形成。金属氧化物可是SnO2、TiO2、ZnO、WO3和Fe2O3中的一种。导电聚合物和绝缘聚合物可浸渍(impregnate)有碳纳米管、石墨烯或纳米线。
导电聚合物由聚苯胺(polyaniline)、聚吡咯(polypyrrole)、聚噻吩(polythiophene)、聚(乙烯-共-乙烯基乙酸酯)(Poly(ethylene-co-vinylacetate))、聚(苯乙烯-共-丁二烯)(Poly(styrene-co-butadiene))、聚(9-乙烯基咔唑)(Poly(9-vinylcarbazole))、聚(吡咯)/1-丁烷磺酸酯(Poly(pyrrole)/1-butanesulfonate，BSA)或聚(联噻吩)/四丁基铵四氟硼酸盐(Poly(bithiophene)/tetrabutylammonium tetrafluoroborate，TBATFB)形成。绝缘聚合物可浸渍有导电材料，例如，碳黑，因此，可控制绝缘聚合物的导电性。将BSA和TBATFB添加到与其对应的聚合物。如果将绝缘聚合物用于感测部件130，则第一纳米线120与第二纳米线140之间的电导性依赖于随穿电流。
图2是根据示例性实施例的图1的化学传感器100的平面图，为了方便，未示出基底110。参照图2，可将第一纳米线120与第二纳米线140设置为相互垂直。第一纳米线120的第一端可连接到第一电极焊盘122，第二纳米线140的第一端可连接到第二电极焊盘142。感测部件130可占据化学传感器100的大部分区域，从而，可增加化学传感器100的灵敏度。为了方便，在图1中未示出第一电极焊盘122和第二电极焊盘142。可将电流表150设置在第一电极焊盘122与第二电极焊盘142之间以测量它们之间的电流。
现在将描述根据示例性实施例的化学传感器100的操作原理。当化合物与化学传感器100接触时，可由化学传感器100的感测部件130吸附该化合物。在感测部件130中，可形成接触件，例如，第一纳米线120与第二纳米线140相互交叉的纳米接触阵列。吸附有化合物的感测部件130的电阻可变化，可用电流差检测电阻的变化。可将读取电压施加到第一电极焊盘122和第二电极焊盘142，并从电流表150测量电流差。可根据感测部件130和化学传感器100读取电压在几mv至10V DC的范围内。当检测到电流差时，可根据电流差测量相应的化合物的浓度。
在根据示例性实施例的化学传感器100中，可按阵列和以纳米大小排列所述纳米接触，从而，虽然吸附了具有几ppm浓度的化合物，但是可测量化合物的浓度。另外，感测部件130可占用化学传感器100的相对大面积，从而可增加化学传感器100的灵敏度。
图3是根据示例性实施例的化学传感器阵列200的排列的示意性平面图。相同的标号用于表示与图1的化学传感器100的元件实质上相同的元件，从而，将不重复对其的描述。
参照图3，可将多个化学传感器100以阵列形式设置在基底210上。化学传感器100的第一纳米线可连接到第一电极焊盘122，化学传感器100的第二纳米线140可连接到第二电极焊盘142。第一电极焊盘122和第二电极焊盘142可连接到模式分析系统220。
当被分析物被吸附在第一纳米线120与第二纳米线140之间的感测部件130上时，第一纳米线120与第二纳米线140之间的功函数可变化。这种功函数的变化可表现为电阻性或导电性的差异。
模式分析系统220可测量在每个化学传感器100中的化合物的浓度。模式分析系统220可根据在每个化学传感器100中的化合物的吸附浓度来分析电流特性。每一个化学传感器100的感测部件130可具有相互不同的构造。例如，如果可通过改变感测部件130的种类和感测部件130的第一纳米线120与第二纳米线140之间的间隙来控制每个化学传感器100的感测部件130的功函数，则可制造与吸附的特定被分析物的浓度相关的化学传感器。
作为另一示例，不同的材料可用于每个感测部件130。例如，可由金属氧化物(例如，从由SnO2、TiO2、ZnO、WO3和Fe2O3组成的组中选取的金属氧化物)制成一个化学传感器100中的感测部件130，并且另一化学传感器100的另一感测部件130可由浸渍有碳纳米管的导电聚合物制成。因此，每个化学传感器100可用作用于特定化合物的化学传感器，模式分析系统220可基于预先准备的特性曲线来测量吸附的化合物的浓度。
图4是根据示例性实施例的化学传感器的示意平面图。参照图4，多个第一纳米线320可在基底310上设置为相互平行，感测部件330可形成在基底310上并可覆盖第一纳米线320。多个第二纳米线340可在感测部件330上形成为相互平行。第一纳米线320可连接到第一电极焊盘322，第二纳米线340可连接到第二电极焊盘342。第二纳米线340可形成为与第一纳米线320平行。在图4中，可交替地形成第二纳米线340与第一纳米线320，但是，示例性实施例不限于此。例如，第二纳米线340可直接设置在第一纳米线320上方。图4的化学传感器300的操作与图1的化学传感器100的操作实质上相同，因此，在此不再重复对其的描述。
图5是根据示例性实施例的化学传感器400的示意平面图。参照图5，具有平板形状的第一电极420可形成在基底410上，感测部件430可形成在第一电极420上。第二电极440可形成在感测部件430上。每个第二电极440可由纳米线形成。第一电极焊盘422可连接到第一电极420的第一端，第二电极焊盘442可连接到第二电极440的第一端。由于第一电极420可以是平板形状的电极，因此制造第一电极420可以相对简单，并且可根据需要减小第一电极焊盘422的大小。化学传感器400的其它构造可以与图1的化学传感器100的构造实质上相同，从而，将不重复对其的描述。
图6是根据示例性实施例的化学传感器500的示意平面图。参照图6，第二电极540可具有螺旋形状。第二电极焊盘542可连接到第二电极540，因此，与图5的第二电极442相比，第二电极焊盘542的尺寸可很小。化学传感器500的其它构造与图5的化学传感器400的构造实质上相同，从而，将不重复对其的描述。
图7A至图7C是根据示例性实施例的用于描述制造图1的化学传感器的方法的透视图。参照图7A，可将第一金属层(未示出)(例如，Al、Co、Au或Pt)设置在第一基底610上。可通过图案化第一金属层来形成相互平行的多个第一纳米线620。
参照图7B，可使用旋转涂覆方法将覆盖第一纳米线620的导电聚合物层630形成在基底610上。导电聚合物603可形成为比第一纳米线620高出数十nm。例如，导电聚合物层630可形成为比第一纳米线620高出大约10nm至大约1μm。为此，可使用化学机械抛光(CMP)方法。
参照图7C，可将第二金属层(未示出)沉积在导电聚合物层630上。可使用与用于形成第一金属层的材料相同的材料形成第二金属层。可通过图案化第二金属层来形成第二纳米线640，使得第二纳米线640与第一纳米线620交叉。
尽管参照其示例性实施例具体示出和描述了本发明的示例性实施例，本领域的技术人员应该理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可进行形式和细节上的各种修改。

Claims (11)

1.一种化学传感器，包括：
第一电极，在基底上；
感测部件，覆盖基底上的第一电极；
多个第二电极，在感测部件的表面上，暴露感测部件的表面；
其中，第一电极包括多个纳米线，所述多个第二电极中的每一个第二电极包括纳米线，所述化学传感器被构造为当将被感测的化合物吸附在感测部件上时测量电特性的变化。
2.根据权利要求1所述的化学传感器，其中，所述多个第二电极的每个具有10nm至10μm的宽度。
3.根据权利要求1所述的化学传感器，其中，第一电极与所述多个第二电极之间的间隙是10nm至1μm。
4.根据权利要求1所述的化学传感器，其中，所述多个第二电极与第一电极交叉。
5.根据权利要求1所述的化学传感器，其中，第一电极和所述多个第二电极相互平行。
6.根据权利要求1所述的化学传感器，其中，感测部件包括从由金属氧化物、导电聚合物和绝缘聚合物组成的组中选择的材料。
7.根据权利要求6所述的化学传感器，其中，金属氧化物是从由SnO2、TiO2、ZnO、WO3和Fe2O3组成的组中选择的一种材料。
8.根据权利要求6所述的化学传感器，其中，聚合物浸渍有碳纳米管、石墨烯和纳米线中的至少一个。
9.一种化学传感器，包括：
第一电极，在基底上；
感测部件，覆盖基底上的第一电极；
具有多个纳米线的第二电极，在感测部件的表面上，暴露感测部件的表面；
电极焊盘，连接到所述多个纳米线中的每一个纳米线，
其中，所述化学传感器被构造为当将被感测的化合物吸附在感测部件上时测量电特性的变化，第一电极是平板电极。
10.一种化学传感器，包括：
第一电极，在基底上；
感测部件，覆盖基底上的第一电极；
第二电极，在感测部件的表面上，暴露感测部件的表面；
电极焊盘，连接到第二电极，
其中，所述化学传感器被构造为当将被感测的化合物吸附在感测部件上时测量电特性的变化，并且第二电极是螺旋形状的电极。
11.一种传感器阵列，包括：
在基底上以阵列形式布置的多个权利要求1的化学传感器，其中，化学传感器的感测部件被构造为检测相互不同的化合物。
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