CN104737009A - 基于纳米线平台的宽动态范围流体传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测流体样本中的物质的浓度的器件(100)，该器件包括：衬底(102)；布置在衬底(102)上的绝缘层(104)；布置在绝缘层(104)上的多根单独电可访问的半导体纳米线(106、108、110)，多根纳米线中的每一根纳米线由绝缘材料(202、204、206)覆盖并且被布置用于通过纳米线的电特性来感测物质；以及用于提供与多根纳米线中的每根纳米线接触的流体样本的样本隔间(118)；其中对于多根纳米线(106、108、110)中的每根纳米线，选择截面尺寸、绝缘体厚度和绝缘材料类型中的至少一项使得纳米线中的每根纳米线具有不同的检测范围，并且使得器件的动态范围比单独纳米线中的每根纳米线的动态范围更高。

Description

基于纳米线平台的宽动态范围流体传感器
技术领域
本发明涉及用于检测流体中的物质浓度的器件。具体地，本发明涉及基于纳米线的器件。
背景技术
用于生物物质检测的基于诸如例如具有适当功能化表面的硅纳米线FET和碳纳米管之类的纳米尺度场效应晶体管的传感器对微小(低至飞摩尔)浓度的诸如蛋白质和DNA之类的生物分子的非常灵敏检测具有巨大潜力。另外，当通过与活性物质接触的表面的功能化应用合适的界面层时，这些器件对感测气体来说也可能惹人关注。
在其中使用纳米尺度场效应晶体管的所有应用中，存在同时感测多个目标分子的强烈期望。在液体或者气体环境中，参考晶体管的使用具有关键性和决定性重要性，以便补偿时间相关的漂移。
对于气体传感器的很多应用，诸如室内空气质量(IAQ)管理、HVAC、哮喘、心血管诊断和温室控制，需要高灵敏度与宽动态范围相结合。质谱分析法是用于气体检测的标准方法。这一技术是灵敏的、选择性的并且具有宽动态范围，但也是昂贵的和庞大的。备选地，光学检测，更具体地红外(IR)吸收光谱学，正被用作气体传感器。这一技术是灵敏的和选择性的，但是一个模块仅可以检测一种类型的分子并且测量设备是昂贵的和庞大的。电化学检测也可以被使用但是未提供合适的灵敏度或者选择性。
US2010/0243990公开了用于检测生物分子的基于纳米线的传感器器件。器件基于硅纳米线场效应晶体管，其中纳米线可以是n型或者p型杂质掺杂的。纳米线的表面由特定耦合到它们定为目标的对应物的分子来功能化。目标分子上的电荷像栅极电极那样影响纳米线沟道的导电性。
发明内容
发明人已经认识到对于检测器件的实际应用，需要高动态范围，通常与低检测极限结合。已知的检测器器件的问题是，高灵敏度传感器伴随着低动态范围。
本发明的目的是提供基于纳米线的传感器，其有能力提供改善的动态范围，优选地与高灵敏度相结合。
该目的利用如由独立权利要求所限定的发明来实现。从属权利要求提供有利的实施例。
根据本发明，提供了一种用于检测流体样本中的物质的浓度的器件。
流体可以指气体和液体二者，并且器件因此适合用于液体和气体二者中的物质的检测。物质可以溶解或者悬浮在样本中。物质可以包括离子、分子、分子配合物、粒子。具体地，它们可以是可以在流体中以预先未知的低浓度或者高浓度存在的物质。物质可以是对生命有毒的，从而需要充分的浓度测定并且还需要连续的测定，从而防止在检测之前的大量预处理(稀释)。
纳米线是电可访问的，意指可能形成至每根纳米线的每个端部的电接触，以便执行相应纳米线关于纳米线特性的电表征，当具有物质的流体被带到纳米线附近时，纳米线特性对物质的存在敏感。多根纳米线中的纳米线是单独可访问的。为此，优选地，纳米线被并联电连接在多个电接触点之间。因此，在每根纳米线的一个端部可以被电连接到同一个连接点的同时，那么每个另一端部必须单独地接触。如果纳米线是一个或者多个晶体管的部分，则纳米线的顺序访问可以使用单独的门结构来实现。备选地，每根纳米线是完全单独电可访问的，使得它们的端部形成用于每根纳米线的分离接触点，不管是否在晶体管中。
当待检测的物质粒子或者分子来到纳米线附近或者甚至附接至纳米线时，纳米线的可测量的电特性根据物质的数量而受影响，并且通过特性的测量，可以由此推断物质的数量。数量可以是绝对数量或者诸如以每样本体积、样本质量或者样本摩尔的物质的量之类的浓度数量。
多根纳米线包括至少两根纳米线。纳米线的量可以等于和/或大于3、4、5、10、20以及甚至50。它们可以以器件的相同图案化工艺来方便地制造。每根纳米线可以被复制以便允许可靠性测量。绝缘材料可以是任何电绝缘材料。材料首先防止纳米线与样本流体短路。绝缘材料优选地是氧化物，诸如例如氧化硅(SiO2)或者氧化钛(TiO2)或其混合物。绝缘材料可以包括暴露于样本流体的表面。
布置样本隔间使得样本被带到每根纳米线附近或者与每根纳米线接触，每根纳米线至少包括绝缘材料。由相应的绝缘材料覆盖的纳米线中的每根纳米线因此被布置用于通过纳米线的电特性的测量来检测流体样本中物质的存在。受样本隔间中的物质的可能存在影响的任何特性可以用于检测目的。测量的电特性优选地是例如纳米线的电流对电压特性。优选地，该特性是其是具有栅极的晶体管的部分的纳米线的。通过分析测量的特性，可以确定样本中的物质的数量(浓度)。如果需要可以使用校准曲线。优选地，存在参考纳米线，参考纳米线在仅流体样本(没有物质)附近。
器件的多根纳米线中的不同纳米线被配置使得每根单独纳米线的检测范围不同。检测范围是流体样本中的物质的最小和最大可检测量或者浓度之间的范围。最小量由未给出纳米线的电特性改变的物质的量限定，而最大可检测量是如下的量，高于该量不会进一步观测到相同电特性的增加，该量与饱和信号有关。于是检测器件的总检测范围由全体纳米线给出，即于是它是每根单独纳米线的检测范围的总和。
因此，本发明基于如下认识，具有高动态范围的基于纳米线的检测器可以通过平行地布置具有不同动态范围的若干单独可访问的纳米线以用于测量流体中的物质而实现。由此，器件可以被配置使得器件的总动态范围大于单独纳米线的相应动态范围。优选地，多根纳米线中的纳米线被配置使得多根纳米线中的每一根纳米线的不同检测范围一起形成比每个不同检测范围更大的基本上连续的检测范围。作为示例，如果第一纳米线可以测量1与10之间的物质的浓度，并且第二纳米线可以测量10与100之间的物质的浓度，那么纳米线中的每根纳米线的动态范围是10，而包括相结合的这两根纳米线的器件的动态范围将是100。本发明的器件是有利的，因为现在在将它们提供给传感器之前，样本不需要稀释以便防止饱和。此外，可以制作检测器件，其中可以通过纳米线的数目和它们的动态范围配置来选择检测范围。此外，器件的灵敏度(与检测极限有关)可以由最灵敏的纳米线的配置独立地设置。器件可以被设计为有能力检测具有从100ppm或者更大剂量到10ppb的浓度的物质。因此，可以获得具有改善的动态范围和现有技术水平灵敏度的检测器件。
因此，器件可以使用常规半导体材料来制作，并且因此适合用于与基于CMOS的电路集成或者与已有的芯片实验室解决方案集成，从而使用发展良好的制造技术并且需要现存生产线(fabs)工艺的最小适配。器件还可以有利地与诸如温度传感器、电导率传感器等之类的其他类型的传感器组合。另外，通过选择不同的绝缘材料以用于不同的纳米线，不同的物质可以由一个器件同时检测。本发明的进一步的优点是与已建立的处理方法的兼容性，意指传感器器件可以以相对低的成本制造。
物质将对纳米线的特性造成的影响的程度依赖于纳米线和附加层的成分以及结构参数。所述多根纳米线中的每根纳米线可以包括表面区域和纳米线体积，其中表面区域和体积的比例对于所述多根纳米线中的不同纳米线是不同的。比例越大，纳米线对在其附近的物质的存在越敏感，并且反之亦然。检测范围的改变——即不一定是检测范围的增加或者减少，而是简单地不同的范围——伴随着比例的改变。纳米线可以具有检测表面，检测表面被暴露在其中样本隔间延伸的纳米线侧面处。检测表面可以被布置用于检测物质的存在。
为了改变多根纳米线中的不同纳米线之间的比例，可以使用纳米线的长度、宽度或者高度(厚度)。优选地，于是改变长度或者宽度，而厚度(垂直于衬底层延伸)保持恒定。如果多根纳米线被布置在平面衬底中，则多个不同尺寸的纳米线可以在同一个图案化(掩模)步骤中被限定，从而再次进一步节省成本。还有，在很多常规衬底中，其中制作纳米线的层是均匀厚度沉积的半导体(诸如硅)层。因此，可以使用标准衬底，并且不需要用来改变该层厚度的刻蚀步骤，从而降低处理复杂性并且节省成本。优选的是，针对多根纳米线，改变纳米线宽度同时还保持长度恒定。纳米线的宽度优选地在8nm至1微米的范围中。在实践中，下限(lower range)限于使用光刻或者压印技术可以图案化的最小特征大小。优选的范围是50nm至500nm。更优选的范围是10nm至500nm。在这些范围内，可以存在具有10、15、20、25、30、50、100、200、300和400nm的宽度或者任何组合的纳米线。这给出了如下的纳米线，由于它们的长度，纳米线仍然给出可以在常规IC结构中使用的电阻。(注意纳米线的截面确定其电阻)。纳米线的长度可以在1至10微米之间。它们可以低于2微米、低于1微米或者低于500nm。
备选地或者附加地，为了多根纳米线中的纳米线之间的尺寸变化，可以改变绝缘材料的厚度和覆盖纳米线的绝缘体材料的选择，以实现检测范围的变化。物质对纳米线的特性的影响可以通过电容耦合。因此，绝缘体厚度的增加给出更小的耦合和更低的灵敏度，并且反之亦然。还有，材料向更大介电常数的变化将给出增加的耦合和增加的灵敏度，并且反之亦然。再次，这些参数的调整伴随着不同的检测范围。由于介电常数主要由通常与衬底材料和处理兼容的绝缘材料确定，层的厚度是优选的参数以跨多根纳米线中的纳米线变化。厚度优选地在1nm与10nm之间以给出良好的灵敏度。如果需要增加的灵敏度，则厚度在1至4nm的范围中，最优选3nm。如果关于绝缘材料层的电绝缘需要增加的可靠性，则厚度优选地在6至10nm的范围内，最优选7nm。5nm的厚度给出在灵敏度和可靠性之间的良好折衷。
作为示例，具有较小截面面积和较薄绝缘层的纳米线将比具有较大面积和较厚绝缘层的线受物质分子影响更多。这样的影响可以经由在具有物质或者不具有物质的情况之间纳米线的电容或者电感改变。
本发明的器件可以是pH检测器件。为了这一目的，纳米线之上的绝缘层可以是氧化硅。氧化硅的表面通常具有Si-OH基团，其中H+(物质)可以与样本流体(优选地包括水或者由水构成，以用于良好地定义pH)可逆地互换。因此，氧化硅(Si-O-)的表面层的电荷依赖于流体的pH，即高pH的情况下，降低的结合H+和大的O-表面电荷，以及在低pH的情况下，所有基团转换为Si-OH并且在表面上无电荷。电荷决定纳米线的导电性并且可以用作用于测量的纳米线的特性。
器件可以进一步包括布置在纳米线上或者在纳米线中的至少一根纳米线的绝缘材料上的功能化层。在纳米线中的一根或者多根纳米线上添加具体功能化层使得可能剪裁(tailor)器件以检测特定物质或者物质基团。可以使用物质与功能化层的普通(plain)化学(共价)反应。备选地，可以使用通过各种或者非共价反应、粘附效应的分子识别。
此外，通过向不同纳米线添加不同的功能化层，还变得可能同时检测若干不同的物质或者物质基团。这样的器件可以用于指纹学。
例如，TiO2层可以被布置作为绝缘层或者优选地布置在纳米线的绝缘层上，以充当功能化层。由于已知TiO2与CO2反应并且使CO2分解，因此可以形成CO2传感器。可以使用其他功能化层。NiOx层在存在甲醛的情况下可以还原/氧化，并且可以用于构建对甲醛有响应的纳米线。本领域技术人员将了解，需要使用什么层来识别具体物质或者具体物质基团。一个示例可以提供诸如用于检测心脏疾病的那些层之类的用于检测血液指标的层。在另一示例中，层被配置为检测碳水化合物或者作为例如水流体中的污染物的其他有机分子。
根据本发明的一个实施例，纳米线中的至少两根纳米线可以具有不同的掺杂浓度。使纳米线的掺杂变化是影响纳米线的电特性以便剪裁用于各种应用的传感器性质的附加手段。例如，不同的掺杂可以用于实现纳米线的不同阈值电压。这可以向纳米线提供不同的灵敏度。
样本隔间可以被配置为允许流体在多根纳米线之上流动。由此，流动流体的浓度可以被检测，这例如便于器件集成在现有的芯片实验室器件中。此外，样本隔间可以被布置作为保护层中的开口，使得用于电接触纳米线的接触结构被保护，由此防止在导电样本流体的情况下接触结构之间的短路。
衬底的部分(诸如例如衬底的背侧)可以被用作晶体管的栅极端子，多根纳米线中的纳米线中的至少一根纳米线是晶体管的部分。器件然后形成三端子器件，其中背侧作为栅极端子，并且接触结构作为源极和漏极端子。使用背侧作为栅极端子可以被利用以增强对施加的电压的电流响应，或者它可以用作开关以控制是否任何电流真可以流过纳米线。由此，纳米线的电特性可以由栅极端子控制。如果需要，衬底可以被图案化以向每根纳米线提供单独的门结构。
器件可以包括允许不止一种物质的同时检测的第二样本隔间。第二样本隔间可以被用于提供与纳米线阵列接触的不同流体，以便同时执行多个分析。另外，两个或者更多样本隔间的使用可以进一步便于在不同的样本隔间中具有不同特性的纳米线。具体地，由于制造工艺复杂性可能难以结合在一个样本隔间中的不同线配置可以更容易地通过使用多个样本隔间来实现。
器件可以包括连接到多根纳米线中的所述纳米线中的每根纳米线以用于纳米线的读出的电路系统。器件可以是准备用于样本分析的测量器件。
电路系统优选地被配置为：
确定所述多根纳米线中的每根纳米线的电特性；
针对所述多根纳米线中的每根纳米线，确定电特性是否指示纳米线饱和；
标识所述多根纳米线中的纳米线未饱和的纳米线子集；
从纳米线子集，标识具有最高灵敏度的纳米线；以及
基于所确定的具有最高灵敏度的纳米线的电特性，确定在所述流体中所述物质的量。
器件可以包括由参考样本隔间而不是样本隔间覆盖的一根或者多根参考纳米线(每根参考纳米线根据本发明来限定)。这可以被容易地集成。这样的纳米线可以用于确定不具有物质的样本的效应，并且在样本的检测期间把这样的背景信号计算在内。
根据本发明，还提供一种用于使用包括多根单独可访问纳米线的器件来确定在样本流体中的物质的浓度的方法。
如上文所描述的使用高动态范围的基于纳米线的器件来测量流体中物质的量或者浓度可以通过检测纳米线中的哪些纳米线是未饱和的并且选择来自未饱和纳米线中的最灵敏纳米线的读出来实现。通过平均来自未饱和线的结果或者通过更复杂的确定算法，得到的量和/或浓度当然还可以从测量的未饱和纳米线的组合中导出。此外，可以假定器件被校准或者以其他方式已知不同纳米线如何对不同浓度的特定物质做出响应，由此使得可能确定特定纳米线是否饱和。
根据本发明的一个实施例，所确定的纳米线的电特性可以有利地是作为施加的电压的函数的电流。
在本发明的一个实施例中，器件可以有利地通过如下方法而被重置，施加栅极电压使得粘附到纳米线的分子被去除。高度有利的是，能够重置器件以便避免了解器件的测量历史的需要，并且还以便当它已经饱和的时候重新使用器件。因此，器件可以通过向充当栅极端子的衬底背侧施加电压而被重置。所施加的栅极电压是与操作栅极电压相反极性的，使得静电排斥造成粘附到纳米线的分子被释放，由此清洁并且重置器件。
根据本发明的一个实施例，器件可以有利地通过如下方法而被重置，加热器件使得粘附到所述纳米线的分子被去除。通过对纳米线施加足够高的电压使得纳米线的温度通过电阻式加热而增加，粘附到纳米线的分子通过热脱附被释放，并且器件由此被重置。
本发明的这一第二方面的进一步效果和特征很大程度上类似于上文结合本发明的第一方面所描述的那些。
注意，本发明涉及在权利要求中记载的特征的所有可能组合。
附图说明
现在将参考示出本发明的示例实施例的附图更加详细地描述本发明的这些和其他方面，其中：
图1示意性地图示了根据本发明的实施例的器件；以及
图2示意性地图示了根据本发明的各个实施例的纳米线；
图3示意性地概括了用于制造根据本发明的实施例的器件的方法；以及
图4是概括图3中图示的制造方法的一般步骤的流程图。
具体实施方式
在本详细描述中，根据本发明的器件的各个实施例主要参考包括基于SOI(绝缘体上硅)衬底的硅纳米线的器件进行讨论。应当注意，这绝不是限制本发明的范围，本发明同样适用于包括也可以形成于其他类型的衬底上的基于其他半导体材料的纳米线的器件。
图1示意性地图示了根据本发明的实施例的器件100。应当注意，图1中的器件不按比例绘制并且附图的目的仅仅是为了图示本发明的一般概念。
器件100包括衬底102、布置在衬底102上的绝缘层104、形成在SOI衬底的顶部硅层中的平行布置的三根纳米线106、108、110。进一步图示了用于电接触纳米线中的每根纳米线的相应端部的通向接触焊盘(未示出)的导电接触结构112、114。接触结构112、114可以被视为三端子器件中的源极和漏极，其中衬底102的背侧被用作栅极端子。在这种情况下，所有接触是单独可接触的(contatable)，从而给出单独可访问的纳米线。然而，接触112或者114可以被连接在一起而不丧失单独访问可能性。保护层(电绝缘层)116被布置为覆盖接触结构112、114，以防止在导电流体的情况下的电短路。覆盖层中的开口118形成样本隔间118，在该处样本流体可以与纳米线106、108、110接触。
图2示意性地图示了纳米线106、108、110的截面视图。每根纳米线具有厚度(在附图平面中竖直的)和宽度(在附图平面中水平的)。纳米线的尺寸通常从几纳米直到几百纳米变动。纳米线转而由绝缘材料202、204、206覆盖。绝缘材料通常可以是诸如SiO2(热生长)、TO2或者Al2O3之类的氧化物。还可以使用各种稀土氧化物，诸如ZrO2、HfO2等。这里图示了，在相同器件100内的线可以具有不同的几何结构，如由纳米线106和108的不同宽度所示，并且具有相同几何结构的纳米线可以具有不同厚度的绝缘层，如由纳米线108和110以及对应绝缘层204和206所示。由此，可以形成具有不同电特性的纳米线。器件在每个样本隔间中通常可以包括大量的纳米线，诸如例如2至50根纳米线或者更多。优选地，有20至50根纳米线。
不同的功能化层可以被布置在纳米线或者不同纳米线的绝缘层上。例如，功能化层可以是诸如基于APTES或金属的层和氧化物(诸如TiO2、ZrO2或者HfO2)之类的化学层。由此，通过向分离的纳米线应用不同的功能化层，可以制作对不同物质敏感的传感器阵列，使得可以确定在分析下的样本流体的特征的种类。不同的功能化层可以具有不同的介电常数以提供到线的不同电容耦合，以实现范围差异。不同材料的介电常数广泛地在诸如物理化学手册之类的标准教科书中制成表格，并且这里将不会提及。
在器件中，纳米线可以是多种不同类型的电器件的部分。这样的电器件包括门控(gated)器件，诸如：具有栅极(MOSFET、EGFET)的或者不具有栅极(CHEMFET、ISFET、ImmunoFET、HEMFET、ESFET或者ENFET)的基于场效应的器件。
器件可以是用于气体或者流体纯度监测的电器件，或者是其一部分。这些可以是空气污染监测器件。待检测的物质可以是甲醛，由于甲醛对人是非常有毒的。备选地，器件可以是水质监测系统。这样的器件可以具有粒子过滤器或者活性炭过滤器，以在确定物质量之前从流体样本去除引起扰动的副物质。
图3示意性地概括了用于制造根据本发明的各个实施例的器件的一般步骤。将参考概括一般处理步骤的图4的流程图讨论图3。
在第一步骤402中，提供包括硅载体层102、掩埋氧化物(BOX)层104和顶部硅层302的SOI衬底。
下一步骤404，形成掩模，并且在顶部硅层302中刻蚀硅纳米线和对应的接触结构304。纳米线掩模可以例如通过光刻、电子束光刻或者压印来形成。在刻蚀之后是包括绝缘体层306的沉积的步骤406。例如，如果发生钻蚀(underetching)使得在纳米线的刻蚀期间邻近于纳米线的或者在纳米线之下的BOX层104的部分被损伤，则绝缘体层的沉积可以是优选的。由此，源于钻蚀的任何损伤可以通过绝缘体层306的沉积来修复。
在步骤408和410中，沉积保护性氮化硅(SiN)层308，之后是沉积和图案化暴露纳米线的抗蚀剂掩模310。接着，在纳米线被定位的区域中、在掩模310中的开口位置处去除SiN 308和绝缘体层306，以便暴露纳米线。
在步骤414中，去除抗蚀剂掩模310，并且在最后步骤416中，热氧化物310被生长在纳米线上以形成纳米线上的绝缘层。生长的热氧化物的厚度和性质可以通过控制诸如时间、温度和压力之类的工艺参数来控制。
可以针对相同器件以一种方式重复步骤410至步骤416，使得不同的纳米线或者纳米线的子集由不同的抗蚀剂掩模暴露，这转而使得可能形成已经生长了不同厚度或者不同性质的氧化物层312的纳米线。热氧化物的生长还使得可能通过控制生长时间来控制纳米线的几何结构。作为热氧化的备选，在步骤416中可以沉积氧化物，由此增加绝缘材料选择的灵活性。沉积可以例如通过CVD、ALD、溅射或者其他已知的沉积方法来执行。由此，通过由不同的掩模保护不同的线，可以形成具有不同绝缘材料和不同厚度的绝缘层的纳米线。此外，纳米线的各种功能化也可以通过沉积功能化层在步骤416中执行，使得可以形成有能力检测宽范围的物质的器件。
可以在一个步骤集中有利地制作具有不同长度和/或宽度的纳米线，因为这些由掩模尺寸确定并且不需要不同的纳米线集重复曝露用于沉积等。在示例实施例中，具有不同宽度的纳米线可以在步骤404中形成。由此，在执行如上文所描述的剩余步骤之后，提供不同宽度的但具有相同绝缘体材料和绝缘体厚度的纳米线。
还形成到接触结构的电接触，并且欧姆接触被形成在衬底的背侧上以形成背侧栅极接触。此外，由于兼容CMOS的制造工艺，参考晶体管在相同芯片上可以容易地实现作为对测量器件的补充，以使得能够进行差分测量，使得可以把例如温度改变和其他环境变化计算在内。
此外，通过使用根据本发明的各个实施例的基于纳米线的器件，提供了一种用于使用该器件来确定流体中物质的浓度的方法。在下文中，将参考由包括该器件的测量布置执行的电流对电压测量来讨论示例实施例。首先，针对器件中的纳米线中的每根纳米线，针对恒定栅极电压，确定电流对电压特性。接着，如果有的话，确定纳米线中的哪些纳米线饱和。如果导电沟道饱和，即如果导电沟道完全关断或者完全接通，则可以例如发生纳米线中的电流饱和。由于表面饱和，即如果纳米线的整个表面由物质覆盖，则也可能发生饱和。电流饱和可以例如通过比较得到的测量特性与先前建立的参考值来确定。
从未饱和纳米线的子集，选择具有最高灵敏度的纳米线。具有最高灵敏度的纳米线是能够检测特定物质的浓度的最小改变的纳米线。假定纳米线中的每根纳米线的灵敏度从制造中和/或从具有相同布局的器件的较早校准中得知。
通过标识最灵敏的未饱和纳米线，可以提供对于给定器件具有最高可能灵敏度的指示物质浓度的结果。
如果使用有能力检测不同物质的器件，则针对适于检测相应物质的每个纳米线子集执行上文所描述的方法。
器件的示例应用是作为可逆CO2传感器。CO2传感器可以通过用TiO2的薄(约1nm)层涂覆纳米线来形成。由于CO2具有零偶极矩，如果附接到包括例如SiO2的绝缘层，它将不会在沟道中感应电场。因此，可以使用TiO2，已知TiO2将CO2分解为CO和O2，CO是极性的并且由此在器件的导电沟道中感应场。
然而，诸如TiO2、ZrO2和HfO2之类的氧化物倾向于是亲水的，因此在表面上吸附水分子，这将影响CO2的吸附，并且随后影响电测量。因此，为了增加灵敏度并且降低来自吸附的水的干扰，能透过CO2但不能透过水分子的疏水层可以被沉积在绝缘层上。疏水层可以例如是诸如聚对二甲苯之类的聚合物。
作为电流对电压分析的备选，器件的瞬态行为可以通过向源极、漏极和栅极端子施加恒定电压并且观察所测量的电流的时间依赖性进行分析。由此，可以确定受分析的流体中的一种或者多种物质的浓度。
此外，如果特定应用需要，则还可以并入用于使样本流体偏置的流体参考门。
本领域技术人员意识到本发明绝不限于上文所描述的优选实施例。相反，很多修改和变化在所附权利要求书的范围内是可能的。例如，在仍然坚持本发明的一般概念的同时，制造方法和材料选择的变化是完全可能的。

Claims (19)

1.一种用于定量检测流体样本中的物质的器件(100)，所述器件包括：
衬底(102)；
电绝缘层(104)，布置在所述衬底(102)上；
多根能够单独访问的纳米线(106、108、110)，布置在所述电绝缘层(104)上，所述多根纳米线中的每根纳米线由绝缘材料(202、204、206)覆盖，所述多根纳米线被布置用于通过对所述多根纳米线中的纳米线的电特征的测量来检测在所述流体样本中的所述物质的存在；
样本隔间(118)，用于包括所述流体样本，其中所述样本隔间被布置使得所述样本隔间覆盖所述多根纳米线中的每根纳米线的至少一部分；并且
其中所述多根纳米线中的每根纳米线被配置为具有对于所述物质的不同检测范围。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述多根纳米线中的所述纳米线被配置使得所述多根纳米线中的每一根纳米线的所述不同检测范围一起形成比每个不同检测范围更大的基本上连续的检测范围。
3.根据权利要求1或者2所述的器件，其中所述多根纳米线(106、108、110)中的每根纳米线包括表面区域和纳米线体积，其中对于所述多根纳米线中的不同纳米线，所述表面区域和所述体积的比例不同。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述多根纳米线中的每根纳米线包括长度、宽度和厚度，其中所述多根纳米线中的所述纳米线的所述厚度基本上相同，并且所述多根纳米线中的所述纳米线中的每根纳米线的所述宽度和所述厚度中的一个或者多个是不同的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中所述绝缘材料对于所述多根纳米线中的所述纳米线中的每根纳米线是相同的，并且其中所述绝缘材料包括对于所述多根纳米线(106、108、110)中的每根纳米线不同的厚度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其中所述多根纳米线中的至少一根纳米线包括用于与物质相互作用的至少一个功能化层。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的器件(100)，其中所述多根纳米线中的至少两根纳米线中的每一根纳米线包括用于与物质相互作用的功能化层，其中至少两个功能化层彼此不同。
8.根据权利要求6或者7所述的器件(100)，其中所述至少一个功能化层包括TiO2或者由TiO2构成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其中所述样本隔间(118)被配置为允许流体在所述多根纳米线(106、108、110)之上流动。
10.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其中所述纳米线中的至少两根纳米线具有不同的灵敏度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其中所述多根纳米线中的至少两根纳米线具有不同的掺杂和/或不同的掺杂浓度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其中所述多根纳米线中的至少一根纳米线形成晶体管的沟道，并且所述衬底(102)的一部分被用作所述晶体管的栅极端子。
13.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，包括另一样本隔间。
14.根据前述权利要求中任一项所述的器件，包括电路系统，所述电路系统被连接到所述多根纳米线中的每根纳米线，以用于所述纳米线的读出。
15.一种根据权利要求1至14中任一项的器件的用途，用于定量检测流体样本中的物质。
16.一种用于使用包括多根能够单独电访问的纳米线的器件定量测定流体样本中的物质的方法，所述纳米线中的每根纳米线具有不同的检测范围，所述方法包括：
确定所述多根纳米线中的每根纳米线的电特性；
对于所述多根纳米线中的每根纳米线，确定所述电特性是否指示所述纳米线饱和；
标识所述多根纳米线内的并且所述纳米线未饱和的纳米线子集；
从所述纳米线子集，标识具有最高灵敏度的所述纳米线；以及
基于所确定的具有所述最高灵敏度的所述纳米线的所述电特性，确定所述流体中的所述物质的量。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所确定的所述纳米线的所述电特性是作为所施加的电压的函数的电流。
18.根据权利要求16或者17所述的方法，其中所述多根纳米线形成晶体管的沟道，其中所述晶体管包括栅极，所述方法进一步包括通过向所述栅极施加栅极电压从而从所述多根纳米线中的纳米线至少部分地去除粘附到所述纳米线的物质来重置所述器件的步骤。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，进一步包括通过加热所述器件从而从所述多根纳米线中的纳米线至少部分地去除粘附到所述纳米线的物质来重置所述器件的步骤。
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