CN104870987A - 气体传感器及气体传感器结构体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气体传感器及气体传感器结构体，与现有的气体传感器相比，能够以简单结构提高气体的检测灵敏度。通过将源极(3)和漏极(4)之间的石墨烯(8)设置在离子液体(L)中，由此因吸收气体而产生的离子液体(L)中的电荷状态变化直接反映到流过石墨烯(8)的源漏电流(Isd)，因此与现有的气体传感器相比能够提高气体的检测灵敏度。并且，只要将石墨烯(8)设置在离子液体(L)中即可，因此不需要像现有的气体传感器一样用多种聚合物对碳纳米管进行表面化学修饰的结构，能够简化其结构。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器及气体传感器结构体，例如，优选适用于检测CO2或NH3等气体的气体传感器。
背景技术
近年来，正进行着对能够检测如CO2或NH3等各种气体的气体传感器的研究，其中，从气体的检测灵敏度、小型化及节能方面考虑，例如利用碳纳米管(CNTs)的气体传感器备受关注(例如，参照专利文献1及非专利文献1)。实际上，为了检测例如作为检测对象的CO2，利用所述碳纳米管的气体传感器具有用两种聚合物对设置在源极和漏极之间的碳纳米管进行表面化学修饰的结构。并且，所述气体传感器在所述硅背栅上通过硅氧化膜配置有碳纳米管，以便向硅背栅施加栅电压。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特表2007-505323号公报
非专利文献
非专利文献A.Star,T.R.Han,V.Joshi,J.C.P.Gabriel,G.Gruner,”Nanoelectronic Carbon Dioxide Sensors”,Advanced Materials,Vol.16,No.22,2004.
发明内容
(一)需要解决的技术问题
但是，具有上述结构的气体传感器，为了利用碳纳米管来检测CO2，需要用两种聚合物对所述碳纳米管进行表面化学修饰，因此，存在结构复杂的问题。并且，所述气体传感器虽然能够检测作为检测对象的气体，但是需要提高检测灵敏度，以便检测更为微量的气体。
因此，本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种气体传感器以及气体传感器结构体，与现有的气体传感器相比，能够用简单的结构来提高检测灵敏度。
(二)技术方案
本发明是一种检测作为检测对象的气体传感器，其特征在于，包括：平坦的碳结构体，设置在基板上的源极和漏极之间，具有相当于一个碳原子的厚度的一层结构或者多层结构；气体吸收体，其被配置为覆盖所述碳结构体，根据因所述气体吸收体吸收所述气体而在所述碳结构体上产生的源漏电流的变化来检测所述气体。
并且，本发明是一种气体传感器结构体，其特征在于，具有配置有多个气体传感器的结构，所述气体传感器为权利要求1至9中任一项所述的气体传感器。
(三)有益效果
根据本发明，由于因吸收气体而产生的气体吸收体中的电荷的状态变化直接反映到流过碳结构体的源漏电流，因此与现有的气体传感器相比，能够提高气体的检测灵敏度。并且，不像现有的气体传感器一样需要对碳纳米管本身进行表面化学修饰，而是只要简单地设置为气体吸收体与碳结构体相接即可，因此能够简化其结构。
附图说明
图1是示出本发明的气体传感器结构的立体图；
图2是示出图1的气体传感器剖面结构的剖视图；
图3是用于说明双电层的概要图；
图4是用于说明气体吸收体吸收NH3和吸收CO2时的双电层的概要图；
图5是示出源漏电流Isd和栅电压Vg的变化的图表；
图6是用于说明(1)气体传感器的制造方法的概要图；
图7是用于说明(2)气体传感器的制造方法的概要图；
图8是示出实际制造的气体传感器的结构和石墨烯的详细结构的照片；
图9是示出石墨烯的拉曼偏移的分析结构的图表；
图10是示出用于验证试验的气体传感器结构的照片；
图11是示出在空气氛围下从气体传感器获得的栅电流Ig和栅电压Vg之间的关系的图表；
图12是示出在空气氛围下从气体传感器获得的源漏电流Isd和栅电压Vg之间关系的图表；
图13是示出实验装置的整体结构的概要图；
图14是示出在改变NH3浓度时源漏电流Isd和栅电压Vg之间的关系的图表，以及在改变CO2浓度时源漏电流Isd和栅电压Vg之间关系的图表；
图15是示出源漏电流Isd、栅电压Vg以及CO2浓度之间的关系的图表；
图16是示出对于NH3的源漏电流Isd的响应时间的图表，以及改变石墨烯和离子液体之间的距离时源漏电流Isd的响应时间的图表；
图17是示出另一个实施方式的气体传感器(1)结构的立体图；
图18是示出图17的气体传感器剖面结构的剖视图；
图19是示出另一个实施方式的气体传感器(2)剖面结构的剖视图；
图20是示出另一个实施方式的气体传感器(3)结构的立体图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
(1)本发明的气体传感器的概要
在图1中，1表示本发明的气体传感器，所述气体传感器1能够检测作为检测对象的例如CO2或NH3等气体，其特征在于，在源极3和漏极4之间设置有作为平坦的碳结构体的膜状的石墨烯8。实际上，气体传感器1的结构为，在板状基板2上具有带状的源极3和漏极4，在所述源极3和漏极4之间的沟道区域设置有平坦的膜状的石墨烯8。所述源极3和漏极4例如由Cr/Au部件或Ti/Au部件构成，在长度方向上大体以直线状配置，在相对的源极3的端部和漏极4的端部之间形成有约10μm的间隙。
石墨烯8被配置为，例如石墨烯的膜厚度为0.3～3nm，形状为方形，如长方形或正方形，石墨烯的一端与源极3的端部电性连接，另一端与漏极4的端部电性连接，从而将所述源极3和漏极4电性连接。在此，石墨烯8是通过碳原子的结合所形成的六元环结构以二维平面形状有规则地排列，且配置一层相当于一个原子厚度的网眼状平面层的一层结构，或者层叠十层以下的网眼状平面层的多层结构。并且，多层结构的石墨烯优选为两层或三层的层叠结构。由于在本发明中使用平坦的膜状的石墨烯8，因此能够使石墨烯8的整个表面与基板2面接触，并且使石墨烯8的整个表面暴露在滴到基板2上的离子液体L中，而且厚度也薄，因此能够实现气体传感器1的整体的薄型化。
并且，虽然在上述的实施方式中说明了将石墨烯8用作平坦的碳结构体的情况，但是本发明并不限定于此，还可以使用其他各种平坦的碳结构体，如层叠十一层以上的网眼状平面层的平坦的膜状的石墨烯层叠体，或者层叠一百层以上的网眼状平面层的平坦的板状的石墨烯等。
在基板2上设置有例如由Cr/Au部件或Ti/Au部件构成的栅极7，离子液体L可接触到所述栅极7，石墨烯8内置于所述离子液体L的内部。栅极7由形状和尺寸相同的第一栅极部5和第二栅极部6组成，在所述第一栅极部5和第二栅极部6之间的间隙内配置有石墨烯8、源极3以及漏极4。具体来说，在该实施方式中，第一栅极部5和第二栅极部6形成为半圆形状，第一栅极部5的直线部和第二栅极部6的直线部平行地配置且相互之间隔开规定的距离，在所述直线部之间的间隙内，石墨烯8、源极3以及漏极4沿长度方向以直线形状整齐地配置。
离子液体L以半球状载置于第一栅极部5、第二栅极部6、源极3以及漏极4上，以便覆盖整个石墨烯8，一部分上形成起到栅绝缘层作用的双电层。离子液体L的半球状的液体表面暴露在外部气体中，使所述第一栅极部5、第二栅极部6、源极3以及漏极4的中心部的石墨烯8内置于其内部。在此，作为气体吸收体的离子液体L除了例如由[EMIM][BF4](1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)或[BMIM][BF4](1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)、[BMIM][PF6](1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐)、[OMIM][Br](1-正辛基-3-甲基咪唑溴盐)组成之外，还可以由[Hmpy][Tf2N]、[HMIM][Tf2N]、[BMIM][Tf2N]、[C6H4F9mim][Tf2N]、[AMIM][BF4]、[Pabim][BF4]、[Am-im][DCA]、[Am-im][BF4]、[BMIM][BF4]+PVDF、[C3NH2mim][CF6SO3]+PTFE、[C3NH2mim][Tf2N]+PTFE、[H2NC3H6mim][Tf2N]+交联尼龙66、P[VBBI][BF4]、P[MABI][BF4]、P[VBBI][Tf2N]、P[VBTMA][BF4]、P[MATMA][BF4]等组成，可根据作为检测对象的气体种类，适当地选择能够吸收所述气体的离子液体。
在此，例如，对于能够检测CO2的气体传感器1，作为离子液体L使用能够吸收CO2的[EMIM][BF4]、[EMIM][BF4]、[BMIM][BF4]、[BMIM][PF6]、[Hmpy][Tf2N]、[HMIM][Tf2N]、[BMIM][Tf2N]、[C6H4F9mim][Tf2N]、[AMIM][BF4]、[Pabim][BF4]、[Am-im][DCA]、[Am-im][BF4]、[BMIM][BF4]+PVDF、[C3NH2mim][CF6SO3]+PTFE、[C3NH2mim][Tf2N]+PTFE、[H2NC3H6mim][Tf2N]+交联尼龙66、P[VBBI][BF4]、P[MABI][BF4]、P[VBBI][Tf2N]、P[VBTMA][BF4]、P[MATMA][BF4]等。并且，对于能够检测NH3的气体传感器1，作为离子液体L使用能够吸收NH3的[EMIM][BF4]等。
并且，在所述离子液体L中还可以添加例如PEI(聚乙烯亚胺)。在添加PEI的离子液体L中，PEI的氨基向石墨烯8转移电荷，从而降低石墨烯8的阻抗值。在吸收气体时，在添加PEI的离子液体L中，PEI与CO2或H2O进行反应，从而PEI的氨基减少。因此，使用添加所述PEI的离子液体L的气体传感器1中，当离子液体L吸收CO2的含量高的外部气体时，离子液体L中的PEI的氨基减少，结果石墨烯8的阻抗值增加，因此根据外部气体中的CO2含量，石墨烯8的电性状态发生变化。
此外，虽然在上述的实施方式中说明了作为气体吸收体使用离子液体L的情况，但本发明并不限定于此，还可以使用例如碱金属和碱土金属的氢氧化物水溶液等其他各种液体状、凝胶状、或者膏状的气体吸收体。并且，作为气体吸收体使用碱金属和碱土金属的氢氧化物水溶液能够吸收CO2，因此能够实现检测对象为CO2的气体传感器。
在此，如图2所示，在该实施方式中，石墨烯8的一端被源极3覆盖，另一端被漏极4覆盖，因此石墨烯的两端被牢固地固定在基板2上，滴离子液体L时不会从基板2脱落，还能继续维持与源极3和漏极4电性连接的状态。并且，实际上，在源极3和漏极4的正下方也形成有石墨烯8，但是为了便于说明，在图2中只示出只在源极3和漏极4之间形成有作为沟道的石墨烯8的情况。
在所述气体传感器1中，通过电源11从源极3向漏极4供给源漏电流Isd，同时通过电源12向第一栅极部5和第二栅极部6施加栅电压Vg。
由此，在气体传感器1中，向与石墨烯8相对的第一栅极部5施加栅电压Vg时，在离子液体L内产生电位差，为了保持平衡，电荷被供给到石墨烯8。具体来说，向第一栅极部5施加负电压时，离子液体L内的电荷被极化，从而负电荷聚集在石墨烯8的表面上。并且，相反地，还可以向第一电极部5施加正电压，这种情况下离子液体L内的电荷同样被极化，从而正电荷聚集在石墨烯8的表面。因此，如图3所示，例如，向栅极7施加负电压时，在气体传感器1中离子液体L的负电荷聚集在石墨烯8的表面，在离子液体L中形成双电层，所述双电层成为栅绝缘层。
即，在所述气体传感器1中，通过向第一栅极部5和第二栅极部6施加栅电压Vg，向源极3和漏极4之间施加源漏电压Vsd，在离子液体L中形成极薄的栅绝缘层的同时在石墨烯8中流过源漏电流Isd，从而可作为晶体管来工作。并且，在此基础上，具有上述结构的气体传感器1，当离子液体L吸收作为检测对象的气体时，根据气体的吸收量离子液体L中的栅绝缘层(双电层)的状态发生变化，并且根据所述栅绝缘层的状态的变化源漏电流和栅电压特性也发生变化。并且，由于气体传感器1中在所述石墨烯8的周围形成有极薄的双电层，因此只要施加例如1V以下的极小的栅电压Vg也能流过源漏电流Isd。
例如，如图4A所示，在使用可吸收NH3的离子液体L的气体传感器1中，当离子液体L吸收NH3时，由于离子液体L吸收NH3而在离子液体L中聚集在石墨烯8表面的负电荷的状态会发生变化，这会导致双电层的状态也发生变化，从而流过石墨烯8的源漏电流Isd发生变化。并且，如图4B所示，在使用可吸收CO2的离子液体L的气体传感器1中，在离子液体L吸收CO2时，在离子液体L中聚集在石墨烯8的表面的负电荷的状态也发生变化，这会导致双电层的状态也发生变化，从而流过石墨烯8的源漏电流Isd也会发生变化。
如上所述，在气体传感器1中，通过测量所述源漏电流和栅电压特性的变化，并根据所述源漏电流和栅电压特性的变化，能够检测出作为检测对象的气体。并且，在所述气体传感器1中，测量源漏电流和栅电压特性的变化量，如果所述变化量大，则表示离子液体L周围的气体(下面，简称为外部气体)中的气体浓度高，相反，如果变化量小，则表示外部气体中的气体浓度低，由此可推测外部气体中的气体浓度。
实际上，如图5所示，当在离子液体L周围的气体中未包含作为检测对象的气体时，气体传感器1得到源漏电流Isd和栅电压Vg的关系为平稳V字型的波形P1。与之对应，在使用可吸收NH3的离子液体L时，在在离子液体L周围的气体中包含作为检测对象的NH3时情况下，得到气体传感器1的栅电压Vg向负方向偏移的波形P2。并且，随着外部气体中的气体浓度变高，所述偏移的电压量也会随之增加。
另外，当使用可吸收CO2的离子液体L时，在离子液体L周围的气体中包含作为检测对象的CO2的情况下，得到气体传感器1的源漏电流Isd整体变小的波形P3。并且，随着外部气体中的气体浓度变高，源漏电流Isd的减少的电流量也会随之变大。
如上所述，本发明的气体传感器1根据通过源漏电流Isd的变化或者由源漏电流Isd的变化所产生的栅电压的变化，能够检测出包含在外部气体中的气体，或者推测所述气体的含量。
另外，虽然在上述的实施方式中说明了下述一种气体传感器1，即，设置有栅极7，对构成所述栅极7的第一栅极部5和第二栅极部6施加栅电压Vg，在离子液体L中的石墨烯8的表面形成双电层，离子液体L吸收气体而双电层的状态发生变化，由此测量流过石墨烯8的源漏电流Isd的变化，但是本发明并不限定于此，所述气体传感器1还可以为，不设置栅极7，通过离子液体L吸收气体来测量源极3和漏极4之间的石墨烯8中流过的源漏电流Isd的变化。
即，在气体传感器1中，即使栅电压Vg为0V时由于在离子液体L中存在具有很多孔的石墨烯8，因此离子液体L中的负电荷会聚集在石墨烯8的表面。因此，在气体传感器1中，当离子液体L吸收气体时离子液体L中的负电荷和正电荷的状态发生变化，从而流过石墨烯8的源漏电流Isd也发生变化。因此，在该气体传感器1中，即使不设置栅极7，从流过石墨烯8的源漏电流Isd的变化，能够检测出包含在外部气体中的气体或者推测所述气体的含量。
(2)气体传感器的制造方法
接着，对本发明的气体传感器1的制造方法进行说明。对于该实施方式，首先，准备例如表面形成有热氧化膜的硅基板2，同时还准备在转印面上形成一层结构或者多层结构的平坦的石墨烯层的片状的转印体。接着，向基板2的表面挤压转印体的转印面来在基板2的表面上粘贴石墨烯层，然后只去掉转印体，由此，如图6B和表示图6B的A‐A′剖面的图6A所示，在基板2的整个表面上设置石墨烯层8a。
接着，在石墨烯层8a的整个表面上形成Cr/Au(4nm/40nm)电极层，然后使用抗蚀剂对电极层进行图案化处理后去除抗蚀剂，由此，如图6C和图6D所示，在石墨烯层8a上形成源漏形成电极部15、第一栅极部5以及第二栅极部6。接着，如图6E和图6F所示，通过氧等离子体去除暴露在除源漏形成电极部15、第一栅极部5以及第二栅极部6之外区域的石墨烯层8a。
接着，如图7A和图7B所示，通过利用碘液的湿式蚀刻来选择性地去除位于第一栅极部5和第二栅极部6之间的源漏形成电极部15的一部分，使石墨烯层8a的一部分暴露在外部，形成作为沟道的石墨烯8，由此在所述石墨烯8的两端形成源极3和漏极4。最后，如图7C和图7D所示，在基板2上滴离子液体，以覆盖整个暴露在源极3和漏极4之间的石墨烯8，由此制造如图1所示的气体传感器1。
如图8所示，如此制造的气体传感器1在源极3和漏极4之间的微小的间隙内能够形成石墨烯8，从而可通过极小结构的石墨烯8来电性连接源极3和漏极4。
接着，通过上述的制造方法，利用形成有网眼状平面层为3～5层左右的石墨烯层的转印体，在基板2上形成石墨烯8，然后向所述石墨烯8照射激光并用拉曼分光计分析拉曼光谱，由此得到如图9所示的结果。在图9的拉曼光谱中，得到了与G峰值几乎相同高度的2D峰值。众所周知，得到与所述G峰值几乎相同高度的2D峰值时石墨烯一般是网眼状平面层为3～5层左右，因此可以确认，即使通过上述的制造方法在基板2上最终形成的石墨烯8也是具有网眼状平面层为3～5层的层叠结构。
(3)验证试验
接着，对各种验证试验进行说明。首先，通过上述的制造方法，用Cr/Au(膜厚度4nm/40nm)分别形成源极3、漏极4以及栅极7，然后利用形成有网眼状平面层为3～5层左右的石墨烯层的转印体(聚二甲基硅氧烷，KE-106，信越化学工业)，在源极3和漏极4之间形成长度为20μm、宽度为50μm的平坦的膜状的石墨烯8，然后向石墨烯8的周围滴离子液体L([EMIM][BF4)，由此制造如图10所示的气体传感器1。
并且，当在外部气体中未包含作为检测对象的气体时，调查在所述气体传感器1中从栅极7流向漏极4的栅电流(泄漏电流)Ig(图2)，并得到如图11所示的结果。从图11可以确认，由于源漏电压Vsd为10mV时栅电流Ig非常小，可以忽略不计，因此可确认对源漏电流的测量不会产生影响。
接着，调查从源极3经过石墨烯8流向漏极4的源漏电流Isd和施加到栅极7的栅电压Vg的关系，并得到如图12所示的结果。并且，图12示出气体传感器1的源极3与漏极4之间的源漏电压Vsd为10mV，将施加到栅极7的栅电压Vg从-0.8V提高到0.8V时的源漏电流Isd和栅电压Vg的关系。从图12可以确认，在所述气体传感器1中，当在外部气体中未包含作为检测对象的气体时，得到平滑的近似于V字型的波形。
接着，利用如图13所示的实验装置20，对气体传感器1能否检测出作为检测对象的气体进行验证试验。实际上，在所述实验装置20中，可通过阀29a从供给口21a向腔室21内供给作为检测对象的气体，可通过阀29b从排出口21b向腔室21外部排出所述气体。
并且，在腔室21内的壁部设置有开闭门21c，在与开闭门21c比较近的地方，在底座26a上设置有容纳盆26b。并且，打开开闭门21c后能够用注射器将NH3溶液从外部供给到容纳器26b中。并且，在所述实验装置20中，在腔室21内设置CO2测量仪25，以测量腔室21内的CO2的浓度。并且，在所述实验装置20中，在腔室21内的底座22上载置本发明的气体传感器1，并且在维持腔室21的密封的状态下连接设置在腔室21的外部的测量装置24和腔室21内的气体传感器1。
在所述实验装置24中，首先，在腔室21内设置作为离子液体L使用0.1μL的[EMIM][BF4]的气体传感器1，然后将所述腔室21内填充未包含作为检测对象的气体的空气(Air)，并调查了此时的气体传感器1的源漏电流Isd与栅电压Vg之间的关系。然后，用注射器28从开闭门21c向腔室21内的容纳器26b供给1～150μL的28％NH3溶液，并调查了NH3浓度为50ppm、500ppm、5000ppm时的气体传感器1的源漏电流Isd与栅电压Vg之间的关系。
具体来说，在气体传感器1的源漏电压Vsd为10mV，将施加到栅极7的栅电压Vg从-0.8V提高到0.8V的情况下，测量源漏电流Isd，由此得到了如图14A所示的结果。从图14A可以确认，在本发明的气体传感器1中，当作为检测对象的NH3混合在外部气体时，与一般的外部气体相比，栅电压Vg向负方向偏移。
在此，从图14A可知，用空气填充腔室21内时的源漏电流Isd在栅电压为0V时并不是最小值，而是栅电压Vg为约0.5V左右时源漏电流Isd为最小值。这可能是因为在石墨烯8中存在很多空穴。并且，当栅电压Vg低于约0.5V左右时，可以推测离子液体L吸收NH3时由于通过离子液体L的NH3对具有很多空穴的石墨烯8赋予负电荷而石墨烯8的空穴数量减少，因此导致阻抗值上升，源漏电流Isd下降。并且，当栅电压Vg大于约0.5V左右时，与上述情况相反，从石墨烯8向离子液体L赋予电子，因此当离子液体L吸收NH3时源漏电流Isd上升。
因此可推测，例如将CO或NO2等气体作为检测对象时，如果可吸收所述气体的离子液体L吸收所述气体，则在气体传感器1中，在离子液体L中产生剥夺聚集在石墨烯8的表面的负电荷的动作，从而如图14A所示的源漏电流Isd的偏移向正方向偏移的形状。
并且，可以确认源漏电流Isd的偏移量根据NH3的浓度而不同。具体来说，在-0.8μm的栅电压下，进一步改变NH3浓度，并调查了各NH3浓度下的源漏电流Isd，由此得到如图15A所示的结果。在图15A中，测量点用“×”表示(用“测量”标记)，并调查了各测量点的源漏电流Isd的变化趋势(用“拟合”标记)。结果可以确认，在所述气体传感器1中，NH3浓度每变化10倍时，源漏电流Isd减少-0.60μA，并且随着NH3浓度的变化，源漏电流Isd成比例减少。因此，在本发明的气体传感器1中，通过在测量装置中存储预先调查NH3浓度和源漏电流Isd之间的对应关系的数据，能够从源漏电流Isd推测出NH3浓度。
综上所述，可以确认在所述气体传感器1中，当离子液体L吸收作为检测对象的NH3时，流过石墨烯8的源漏电流Isd发生变化，从而产生偏移电压。因此可以确认，本发明的气体传感器1可通过测量源漏电流Isd的变化来检测出离子液体L周围的外部气体中的NH3。并且，可以确认在本发明的气体传感器1中，根据源漏电流Isd的偏移量，能够判断NH3的浓度。
接着，清空腔室21内，然后将检测对象从NH3变更为CO2，并在与上述的实验条件相同的实验条件下进行另外的新的实验。在所述实验中，为了使离子液体L吸收CO2，在腔室21内设置利用[EMIM][BF4]中添加少量的聚乙烯亚胺(PEI，polyethyleneimine)的离子液体L的气体传感器1。接着，通过供给口21a向腔室21内供给CO2，在外部气体(空气)中混合CO2，用混合气体逐渐填充腔室21内。当CO2浓度稳定在0.4％、3％、16％时，分别调查了气体传感器1的源漏电流Isd和栅电压Vg之间的关系。
并且，此时也测量了气体传感器1的源漏电压Vsd为10mV，将施加到栅极7的栅电压Vg从-0.8V提高到0.8V时的源漏电流Isd。结果得到了如图14B所示的结果。从图14B可以确认，在本发明的气体传感器1中，当作为检测对象的CO2混合在外部气体中时，与一般的外部气体的情况相比，在栅电压Vg内，整体上源漏电流Isd减少。
在此，在图14B中没有形成如图14A所示的源漏电流Isd发生偏移的波形。如图14B所示，在整个栅电压Vg内，源漏电流Isd的值整体下降的情况有可能是由石墨烯8本身的阻抗降低所引起的，或者是由双电层的厚度发生变化所引起的，但是在图14B中，阻抗值的变化为10％左右，因此很难认为是由石墨烯8本身的阻抗变化所引起的，可推测为由后者的双电层的厚度发生变化所引起的。因此可以知道，在这种情况下，如图4B所示，双电层变厚，通过双电层的厚度的变化，源漏电流Isd下降。
并且，还可以确认，随着CO2的浓度的上升源漏电流Isd将减少。具体来说，在-0.8V的栅电压Vg下，进一步改变CO2的浓度，并调查了各CO2浓度下的源漏电流Isd，由此得到如图15B所示的结果。在图15B中，测量点用“×”表示(用“测量”标记)，并调查了各测量点的源漏电流Isd的变化趋势(用“拟合”标记)。结果可以确认，在所述实施例中，CO2浓度每变化10倍时，源漏电流Isd将减少-0.25μA，并且随着CO2浓度的变化，源漏电流Isd成比例减少。因此，在本发明的气体传感器1中，通过在测量装置中存储预先调查的CO2浓度和源漏电流Isd之间的对应关系的数据，能够从源漏电流Isd推测CO2浓度。
因此，可以确认，在所述气体传感器1中，离子液体L吸收作为检测对象的CO2，其结果，流过石墨烯8的源漏电流Isd将减少。因此可以确认，本发明的气体传感器1可通过测量源漏电流Isd的变化，检测离子液体L周围的外部气体中的CO2。并且还可以确认，在本发明的气体传感器1中，根据源漏电流Isd的减少量能够判断CO2的浓度。
接着，调查了栅电压Vg为0V的气体传感器1在NH3氛围下经过多长时间后源漏电流Isd才开始变化的情况，此时得到如图16A所示的结果。在所述验证试验中，NH3浓度为30ppm，在气体传感器1中，由[EMIM][BF4]组成的离子液体L的表面与石墨烯8之间的距离为80μm。从图16A可以确认，在NH3氛围下大约过10分钟后气体传感器1的源漏电流Isd稳定下来。
并且，从上述的验证试验的结果求出理论公式，并对石墨烯8和由[EMIM][BF4]组成的离子液体L的表面之间的距离为20μm、50μm、80μm、100μm时的源漏电流Isd的响应时间进行了模拟，由此得到了如图16B所示的结果。从图16B可以确认，通过缩短石墨烯8和离子液体L表面之间的距离，能够缩短气体传感器1的源漏电流Isd变稳定所需的时间。认为这是由于从离子液体L表面吸收的气体扩散到石墨烯8附近需要时间。因此可以确认，在本发明中，通过利用将石墨烯8和离子液体L表面之间的距离设定为短距离的气体传感器1，能够实现在早期可检测出作为检测对象气体的气体传感器。
(4)作用和效果
在以上的结构中，所述气体传感器1的结构为，在基板2上的源极3与漏极4之间设置石墨烯8，所述石墨烯8被离子液体L覆盖。在所述气体传感器1中，由于具有很多空穴的石墨烯8位于离子液体L中，因此离子液体L中的负电荷聚集在石墨烯8的表面。因此，在气体传感器1中，当离子液体L吸收作为检测对象的气体时，随着在离子液体L中聚集在石墨烯8表面的负电荷的状态发生变化，流过石墨烯8的源漏电流Isd也发生变化，因此能够根据所述源漏电流Isd的变化的趋势，检测出外部气体中的气体。
并且，对于所述实施方式，在气体传感器1中设置与石墨烯8和基板2上的栅极7相接触而成为栅绝缘层的离子液体L，通过栅极7向所述离子液体L施加栅极电压Vg。由此，在气体传感器1中，在吸收气体的离子液体L中形成起到栅绝缘层作用的双电层，从而可作为能够测量流过石墨烯8的源漏电流Isd的晶体管来工作。
此时，在气体传感器1中，当离子液体L吸收作为检测对象的气体时，离子液体L中的栅绝缘层(双电层)的状态发生变化，流过石墨烯8的源漏电流Isd随着栅绝缘层的状态发生变化而变化，从而通过测量所述源漏电流Isd的变化，并根据所述源漏电流Isd的变化趋势，能够检测出外部气体中的气体。
在此，在特表2007-505323号公报中公开的现有的背栅型气体传感器(未图示)中，在硅背栅和碳纳米管之间，作为栅绝缘层使用例如膜厚度为150～200nm的硅氧化膜，因此为了使其作为晶体管工作，需要最大电压为15V左右的栅电压。
与此相比，在本发明的气体传感器1中，不使用SiO2等硅氧化膜，而是在设置在石墨烯8与栅极7之间的离子液体L中形成极薄的几nm厚度的栅绝缘层，因此即使向栅极7施加0.4V左右的栅电压Vg，也能够作为晶体管来工作，因此与现有的气体传感器相比，能够显著地降低栅电压Vg。
并且，在所述气体传感器1中，在吸收气体的离子液体L本身中形成有栅绝缘层，并且因吸收气体而产生的离子液体L的栅绝缘层的状态变化会直接反映到流过石墨烯8的源漏电流Isd，因此与现有的气体传感器相比，能够提高气体的检测灵敏度。并且，在所述气体传感器1中，不像现有的气体传感器一样需要对石墨烯8本身的表面进行表面化学修饰，而是只要将离子液体L设置成与石墨烯8和栅极7接触即可，因此能够简化结构。
并且，在所述气体传感器1中，随着外部气体中的气体的浓度变化，源漏电流和栅电压特性发生变化，因此通过测量所述源漏电流和栅电压特性的变化量，能够推测根据所述变化量的外部气体中所包含的作为检测对象的气体的含有程度。
然而，作为这样的气体传感器，还可以考虑在基板上的源极和漏极之间沿着基板表面设置有碳纳米管，用离子液体覆盖所述碳纳米管的结构的气体传感器(下面，称为碳纳米管型气体传感器)。但是，在基板上形成碳纳米管时，由于侧周面的一部分与基板线接触，因此所述线接触的区域呈不与离子液体接触的状态，因此存在所述区域难以反映吸收气体的离子液体的状态变化的问题。并且，由于碳纳米管与基板是线接触，因此相对于基板的固定面积很小，因此存在通过在制造过程中产生的静电等从基板容易脱落并损坏的问题。
对此，在本发明的气体传感器1中，以平坦的膜状形成的石墨烯8的整个表面与基板2面接触，因此石墨烯8的整个表面都暴露在离子液体中。因此，与现有的气体传感器相比，在本发明的气体传感器1中，石墨烯8与离子液体L之间的非接触状态的区域比现有的变小，该部分的吸收气体的离子液体L的状态变化会容易反映到流过石墨烯8的源漏电流Isd的变化，从而能够提高气体检测的响应性。尤其是，在石墨烯8为一层结构的情况下，能够使几乎所有的碳原子都暴露在离子液体L中，因此能够进一步提高气体检测的响应性。并且，在本发明中，石墨烯8的平坦的整个表面与基板2面接触，相对于基板2的固定面积增大，因此即使在制造过程中产生静电，从基板2上很难产生脱落，从而能够防止制造过程中受损。
并且，制造现有的碳纳米管型气体传感器时，在基板上设置催化剂部，通过化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)从催化剂部生长碳，在基板上形成从所述催化剂部以直线前进的形状延伸的碳纳米管。然而，如此制造的碳纳米管并不一定从催化剂部以直线前进的形状延伸，而很有可能是从催化剂部以弯曲的形状延伸而被制成不良品，并且，根据制造过程的条件，直径以及筒状表面中的六圆环结构的配置状态也容易发生变化，因此存在很难量产相同性质的碳纳米管的问题。
对此，本发明的气体传感器1在制造时仅仅将预先在转印体的表面形成膜的石墨烯层8a粘贴在基板2的表面上，因此不仅不会被制造为不良品，而且能够可靠地使用具有均匀性质的石墨烯8，从而能够均匀地保持整个气体传感器1的气体检测能力，与现有的气体传感器相比量产性更优异。
根据上述的结构，通过将源极3和漏极4之间的石墨烯8设置在离子液体L中，因此由于吸收气体而产生的离子液体L中的电荷状态变化直接反映到流过石墨烯8的源漏电流Isd，因此，与现有的气体传感器相比，能够提高气体的检测灵敏度。并且，只要将石墨烯8配置在离子液体L中即可，因此不需要像现有的气体传感器一样用多种聚合物对碳纳米管进行表面化学修饰的结构，因此能够简化其结构。
(5)其他实施方式
并且，本发明并不限定于本实施方式，在本发明的主要内容的范围内，还可以对本发明的实施方式进行各种变形，虽然在上述实施方式中对将作为碳结构体的石墨烯8的平坦的整个表面与基板2的表面面接触的配置方式进行了说明，但本发明并不限定于此，例如还可以将由石墨烯、石墨烯层叠体以及石墨中的任意一种组成的碳结构体的平坦的表面竖直地配置在基板2上，以使碳结构体垂直地配置在基板2的表面上。
并且，虽然在上述的实施方式中说明了将离子液体L载置在源极3和漏极4上以及第一栅极5和第二栅极6上的气体传感器1，但本发明并不限定于此，还可以使用如图17和图18所示的气体传感器31，图17与图1的对应部分用相同符号表示，图18是表示图17的剖面结构的图，在所述气体传感器31中，离子液体L并不覆盖源极3、漏极4、第一栅极5以及第二栅极6的上表面，而是将离子液体L只设置在被源极3、漏极4、第一栅极5、第二栅极6围住的区域。
实际上，在所述气体传感器31中，在被源极3、漏极4、第一电极部5和第二电极部6围住的区域配置离子液体L，以使离子液体L与源极3、漏极4、第一电极部5和第二电极部6的各侧面相接，因此能够减少离子液体L的量，从而实现小型化的同时能够通过表面张力的作用将离子液体L稳定地设置在基板2上。并且，如同上述的实施方式，在所述气体传感器31中，通过栅极7向离子液体L施加栅电压时，在离子液体L中形成起栅绝缘层作用的几nm的双电层，因此能够将离子液体L的量减少至相当于形成所述几nm左右的栅绝缘层的体积的量。
并且，作为其他的实施方式，虽然在上述实施方式中说明了在基板2上只滴离子液体L并载置的气体传感器1，但本发明并不限定于此，还可以使用如图19所示的气体传感器35，图19与图2的对应部分用相同的符号表示，所述气体传感器35的结构为，用聚对二甲苯等外部气体可通过的被覆膜36来覆盖离子液体L的以弯曲状形成的液表面，在这种情况下，即使对基板2施加外力而使其发生倾斜等时，也能够通过作为保持装置的被覆膜36来将离子液体L稳定而持续地保持在基板2上。顺便说一下，所述气体传感器35的制造方法可以如下：在滴离子液体L后，通过例如CVD法在离子液体L上用聚对二甲苯等外部气体可通过的被覆材料来形成膜，对离子液体L直接形成被覆膜36，由此制造气体传感器35。并且，所述气体传感器35的制造方法还可以如下：预先用聚对二甲苯等外部气体可通过的被覆材料在基板2上形成被覆膜36，然后向所述被覆膜36内注入离子液体L而进行密封，由此制造所述气体传感器35。
并且，在所述气体传感器35中，能够通过被覆膜36来将离子液体L稳定地保持在基板2上，因此能够将基板2例如以离子液体L朝下的状态设置在室内的天花板上，并根据使用情况可以将离子液体L朝向各种方向而设置。并且，在所述气体传感器35中，能够隔离气体吸收体与外部气体，因此作为气体吸收体还可以使用水等挥发性液体。并且，即使作为气体吸收体使用水时，由于因水吸收气体而水中的电荷状态发生变化，因此流过石墨烯8的源漏电流Isd也会发生变化，从而能够得到与上述实施方式相同的效果。
并且，作为其他实施方式的气体传感器，还可以使用如图20所示的气体传感器41，图20与图1的对应部分用相同的符号表示，在所述气体传感器41中，在基板2上设置用于覆盖离子液体L的框体42，通过作为保持装置的框体42将离子液体L保持在基板2上。这种情况下，在基板2上框体42被配置为，覆盖基板2上的源极3与漏极4之间的石墨烯8(未图示)的同时覆盖配置在石墨烯8周围的源极3、漏极4和栅极7的一部分，从而可以将离子液体L保持在内部空间。
实际上，所述框体42是由例如四边形的壁部42a和板状的顶板部42b来形成内部空间，其中，所述壁部42a堵住离子液体L，所述顶板部42b覆盖所述壁部42a，在顶板部42b上穿设有多个用于连通内部空间和外部的微小的贯穿孔43。由于框体42设置在基板2上，因此框体42的底面部被封闭，内部空间与外部只能通过贯穿孔43来连通，从所述贯穿孔43向内部空间注入离子液体L，由此能够将离子液体L保持在内部空间。在此，框体42的贯穿孔43微小，因此在贯穿孔43上因离子液体L的表面张力的作用，注入到内部空间的离子液体L不易从贯穿孔43流到外部，从而能够可靠地保持离子液体L。
并且，在框体42的内部空间内，离子液体L不仅覆盖碳结构体，而且还与栅极7的第一栅极部5和第二栅极部6(未图示)相接。因此，在所述气体传感器41中，当从栅极7向离子液体L施加栅电压Vg时，在离子液体L中也会形成起到栅绝缘层的作用的双电层，因此，所述气体传感器41也能够得到同上述实施方式一样的效果。
并且，作为其他实施方式，可以使用如下的气体传感器，其结构为，将设置有石墨烯8、栅极7等的基板2设置在储存有离子液体L的箱体状的储存部内，所述基板浸渍在离子液体L中，根据使用情况，还可以使用适当改变基板2与离子液体L之间的配置关系的各种结构的气体传感器。并且，作为保持装置的框体可以是用细线编织的网眼状的框体，并且作为保持装置的被覆膜，可以是纤维状的膜。无论何种情况，都能够将离子液体L保持在保持装置的内部空间。
并且，虽然在上述的实施方式中说明了作为气体吸收体使用液态的离子液体L的情况，但本发明并不限定于此，作为气体吸收体还可以使用例如具有粘性但不具有流动性的以呈凝胶状的气体吸收体，或者具有粘性以及流动性的呈膏状的气体吸收体，除此之外，还可以使用介于固态和液态之间的半固态半液态的气体吸收体。并且，在上述的气体传感器1、31、35、41中，还可以使用例如具有与离子液体L相同的物理性质且所述离子液体L为凝胶状的离子凝胶体或者所述离子液体L为膏状的离子膏状体。例如，在使用凝胶状的气体吸收体的气体传感器中，即使基板2发生倾斜或者产生振动时，气体吸收体也不会流动，能够持续地保持气体吸收体覆盖整个石墨烯8的状态，从而能够提高气体传感器的设置位置的自由度。
并且，在所述气体传感器中，通过使用不具有流动性的凝胶状的气体吸收体，在气体吸收体的底部还可以设置粘结部件，因此，能够用粘结部件将气体吸收体固定在基板2上。因此，即使例如将气体传感器上下反转过来将基板2设置在天花板等上，将气体吸收体以暴露在外部的状态配置在上方，也能够维持气体吸收体固定在基板2上的状态，从而能够持续地维持气体吸收体覆盖整个石墨烯8的状态，因此，能够更加提高气体传感器的设置位置的自由度。另外，由于在气体吸收体的底部中，在与石墨烯8接触的地方之外的框部分设置有粘结部件，因此能够避免粘结部件对石墨烯8产生的影响。
并且，作为其他的实施方式，还可以使用例如由渗入有离子液体L的纤维状物质组成的气体吸收体，并且用所述气体吸收体来覆盖石墨烯8。并且，还可以使用将上述的各种结构进行组合的结构。
并且，还可以使用将上述的本发明的气体传感器1、31、35、41中的相同结构的气体传感器1、31、35、41进行排列的气体传感器结构体，或者将多个不同结构的气体传感器1、31、35、41进行组合并排列的气体传感器结构体。在这种情况下，气体传感器结构体由于具有例如在基板上排列多个气体传感器1(31、35、41)的结构，因此能够用各气体传感器1(31、35、41)检测特定的气体，能够用一个小型的气体传感器结构体检测出不同种类的气体的存在与否。并且，在所述气体传感器结构体中，例如在每个气体传感器1(31、35、41)中使用不同的离子液体(气体吸收体)，根据各离子液体与气体之间的反应性，并从多个气体传感器1(31、35、41)的响应的图案能够综合判断特定的气体，而且还能够检测气体的浓度。由此，通过一个小型的气体传感器结构体，能够检测出不同种类的气体和浓度。
附图说明标记
1、31、35、41：气体传感器
2：基板
3：源极
4：漏极
5：第一栅极部
6：第二栅极部
7：栅极
8：石墨烯(碳结构体)
L：离子液体(气体吸收体)
36：被覆膜(保持装置)
42：框体(保持装置)
Claims (11)
1.一种气体传感器，检测作为检测对象的气体，其特征在于，包括：
平坦的碳结构体，设置在基板上的源极和漏极之间，并由相当于一个碳原子厚度的一层结构或者多层结构形成；
气体吸收体，被配置为覆盖所述碳结构体，
根据因所述气体吸收体吸收所述气体而在所述碳结构体上产生的源漏电流的变化来检测所述气体。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述气体吸收体为液体状、凝胶状或者膏状。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述碳结构体为石墨烯。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述气体吸收体与所述碳结构体和所述基板上的栅极相接触而形成栅绝缘层，通过所述气体吸收体吸收所述气体而所述栅绝缘层的状态发生变化，根据所述栅绝缘层的状态变化所产生的所述源漏电流的变化来检测所述气体。
5.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，
所述栅极由第一栅极部和第二栅极部构成，
所述碳结构体配置在所述第一栅极部和所述第二栅极部之间，所述气体吸收体被配置为与所述第一栅极部和所述第二栅极部相接触。
6.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，
所述气体吸收体被保持在所述第一栅极部与所述第二栅极部之间形成的间隙内。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
根据与所述源漏电流对应地发生变化的所述栅极的栅电压的变化来检测所述气体。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
设置有保持装置，其覆盖所述气体吸收体，且将所述气体吸收体保持在所述基板上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述气体吸收体为离子液体、离子凝胶体、或者离子性膏体。
10.一种气体传感器结构体，其特征在于，
具有配置有多个气体传感器的结构，
所述气体传感器为权利要求1至9中任一项所述的气体传感器。
11.根据权利要求10所述的气体传感器结构体，其特征在于，
在各所述气体传感器中设置有不同种类的气体吸收体。
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105203423A (zh) * | 2015-10-29 | 2015-12-30 | 青岛大学 | 掺铈氧化锌纳米纤维qcm湿度传感器及其制备方法 |
| CN106908487A (zh) * | 2017-03-24 | 2017-06-30 | 江苏中康软件有限责任公司 | 一种石墨烯电极、利用其的气体分子检测系统及检测方法 |
| CN107817282A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-03-20 | 南方科技大学 | 一种凝胶电解质及其制备方法、气体传感器和应用 |
| CN109142467A (zh) * | 2018-07-23 | 2019-01-04 | 杭州电子科技大学 | 一种高敏感度no2气体传感器及其制备方法 |
| CN110514698A (zh) * | 2019-09-27 | 2019-11-29 | 福州京东方光电科技有限公司 | 一种气体感测装置和气体检测设备 |
| CN110530969A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-12-03 | 江苏大学 | 一种基于掺杂金属原子的石墨烯谐振式气体传感器的制备工艺 |
| CN112034014A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-12-04 | 山东大学 | 基于非共价单原子层石墨烯的电子氨气传感器的制备方法 |
| CN112255281A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-01-22 | 山东大学 | 基于单原子层氟化石墨烯的电子氨气传感器的制备方法 |
| CN114008449A (zh) * | 2018-12-21 | 2022-02-01 | 罗伯特·博世有限公司 | 包括陶瓷和离子凝胶的晶体管 |
| CN114303056A (zh) * | 2019-08-30 | 2022-04-08 | 太阳诱电株式会社 | 气体判断装置、气体判断方法和气体判断系统 |
Families Citing this family (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11109619B2 (en) | 2013-09-06 | 2021-09-07 | Massachusetts Institute Of Technology | Filter materials including functionalized cellulose |
| WO2016010855A1 (en) * | 2014-07-15 | 2016-01-21 | C2Sense Llc | Formulations for enhanced chemiresistive sensing |
| EP3012847B1 (en) * | 2014-10-21 | 2018-02-14 | Nokia Technologies OY | A multilayer graphene composite |
| US9484469B2 (en) | 2014-12-16 | 2016-11-01 | International Business Machines Corporation | Thin film device with protective layer |
| CN104614413B (zh) * | 2015-02-09 | 2017-06-16 | 华中科技大学 | 一种无电极式半导体气体传感器及其制备方法 |
| EP3101419A1 (en) * | 2015-06-03 | 2016-12-07 | Nokia Technologies Oy | An apparatus for detecting carbon monoxide |
| KR102455433B1 (ko) * | 2015-07-03 | 2022-10-17 | 삼성전자주식회사 | 수직 정렬된 2차원 물질을 포함하는 소자 및 수직 정렬된 2차원 물질의 형성방법 |
| CN105372571B (zh) * | 2015-10-14 | 2018-03-09 | 江苏汇智知识产权服务有限公司 | 一种基于石墨烯负极的放电检测池 |
| US9406872B1 (en) * | 2015-11-16 | 2016-08-02 | International Business Machines Corporation | Fabricating two-dimensional array of four-terminal thin film devices with surface-sensitive conductor layer |
| KR101960963B1 (ko) * | 2016-06-03 | 2019-03-22 | 서울대학교 산학협력단 | 수평형 플로팅 게이트를 갖는 fet형 센서의 펄스 구동 방법 |
| FR3057666B1 (fr) * | 2016-10-13 | 2019-08-02 | Peugeot Citroen Automobiles Sa | Capteur de detection a transistor a haute mobilite electronique selectif d’un composant gazeux ou liquide |
| US10836639B1 (en) * | 2016-10-26 | 2020-11-17 | Air Stations Llc/Elevated Analytics Llc Joint Venture | Air quality measurement system |
| JP6739360B2 (ja) * | 2017-01-13 | 2020-08-12 | 株式会社フジクラ | 二酸化炭素センサ |
| KR101979225B1 (ko) * | 2017-10-27 | 2019-08-28 | 한국생명공학연구원 | 기능화된 n-헤테로사이클릭 카벤 화합물을 포함하는 그래핀 트랜지스터 및 그 제조방법, 이를 포함하는 바이오 센서 |
| CN112105922A (zh) * | 2018-01-04 | 2020-12-18 | 利腾股份有限公司 | 谐振气体传感器 |
| US11567023B2 (en) | 2018-03-22 | 2023-01-31 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Molecular detection apparatus and molecular detection method |
| JP7124579B2 (ja) * | 2018-09-06 | 2022-08-24 | 日本精工株式会社 | ガスセンサ |
| JP6877394B2 (ja) * | 2018-09-18 | 2021-05-26 | 株式会社東芝 | ケミカルセンサ用液膜材料及びケミカルセンサ |
| US11555761B1 (en) | 2019-03-27 | 2023-01-17 | Lyten, Inc. | Sensors incorporated into elastomeric components to detect physical characteristic changes |
| US11585731B2 (en) | 2019-03-27 | 2023-02-21 | Lyten, Inc. | Sensors incorporated into semi-rigid structural members to detect physical characteristic changes |
| US11965803B2 (en) | 2019-03-27 | 2024-04-23 | Lyten, Inc. | Field deployable resonant sensors |
| CN111487298A (zh) * | 2020-04-24 | 2020-08-04 | 深圳市溢鑫科技研发有限公司 | 一种直立石墨烯为催化材料的spe电极及其制备方法 |
| US11988629B2 (en) | 2020-06-23 | 2024-05-21 | Lyten, Inc. | Method of manufacturing a graphene-based biological field-effect transistor |
| JP7379304B2 (ja) * | 2020-09-17 | 2023-11-14 | 株式会社東芝 | センサ素子、センサ装置、センサシステム及び検出方法 |
| WO2023242297A1 (en) * | 2022-06-15 | 2023-12-21 | Zhen Zhang | Fet gas sensor device |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060194263A1 (en) * | 2004-09-30 | 2006-08-31 | Salah Boussaad | Small molecule mediated, heterogeneous, carbon nanotube biosensing |
| US20090008629A1 (en) * | 2005-02-10 | 2009-01-08 | Japan Science And Technology Agency | N-type transistor, production methods for n-type transistor and n-type transistor-use channel, and production method of nanotube structure exhibiting n-type semiconductor-like characteristics |
| US20100065820A1 (en) * | 2005-02-14 | 2010-03-18 | Atomate Corporation | Nanotube Device Having Nanotubes with Multiple Characteristics |
| CN102024846A (zh) * | 2009-09-10 | 2011-04-20 | 索尼公司 | 3端子电子器件和2端子电子器件 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050129573A1 (en) | 2003-09-12 | 2005-06-16 | Nanomix, Inc. | Carbon dioxide nanoelectronic sensor |
| US7254986B2 (en) * | 2002-12-13 | 2007-08-14 | General Electric Company | Sensor device for detection of dissolved hydrocarbon gases in oil filled high-voltage electrical equipment |
| US8336402B2 (en) * | 2006-08-23 | 2012-12-25 | Georgia Tech Research Corporation | Fluidically-assisted sensor systems for fast sensing of chemical and biological substances |
| JP4875517B2 (ja) * | 2007-03-05 | 2012-02-15 | シャープ株式会社 | 化学物質センシング素子、化学物質センシング装置、及び化学物質センシング素子の製造方法 |
| US9162885B2 (en) * | 2011-02-17 | 2015-10-20 | Rutgers, The State University Of New Jersey | Graphene-encapsulated nanoparticle-based biosensor for the selective detection of biomarkers |
| KR20140089432A (ko) * | 2012-01-13 | 2014-07-14 | 도꾜 다이가꾸 | 가스 센서 |
-
2013
- 2013-12-26 US US14/655,414 patent/US20150323482A1/en not_active Abandoned
- 2013-12-26 EP EP13867716.6A patent/EP2940462A4/en not_active Withdrawn
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- 2013-12-26 JP JP2014554524A patent/JPWO2014104156A1/ja active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060194263A1 (en) * | 2004-09-30 | 2006-08-31 | Salah Boussaad | Small molecule mediated, heterogeneous, carbon nanotube biosensing |
| US20090008629A1 (en) * | 2005-02-10 | 2009-01-08 | Japan Science And Technology Agency | N-type transistor, production methods for n-type transistor and n-type transistor-use channel, and production method of nanotube structure exhibiting n-type semiconductor-like characteristics |
| US20100065820A1 (en) * | 2005-02-14 | 2010-03-18 | Atomate Corporation | Nanotube Device Having Nanotubes with Multiple Characteristics |
| CN102024846A (zh) * | 2009-09-10 | 2011-04-20 | 索尼公司 | 3端子电子器件和2端子电子器件 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| IDDO HELLER ET AL.: ""Influence of Electrolyte Composition on Liquid-Gated Carbon Nanotube and Graphene Transistors"", 《J. AM. CHEM. SOC》 * |
| N. KIGA ET AL.: ""CNT-FET GAS SENSOR USING A FUNCTIONALIZED IONIC LIQUID AS GATE"", 《MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS》 * |
| SAMI ROSENBLATT ET AL.: ""High Performance Electrolyte Gated Carbon Nanotube Transistors"", 《NANO LETTERS》 * |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105203423A (zh) * | 2015-10-29 | 2015-12-30 | 青岛大学 | 掺铈氧化锌纳米纤维qcm湿度传感器及其制备方法 |
| CN106908487A (zh) * | 2017-03-24 | 2017-06-30 | 江苏中康软件有限责任公司 | 一种石墨烯电极、利用其的气体分子检测系统及检测方法 |
| CN107817282A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-03-20 | 南方科技大学 | 一种凝胶电解质及其制备方法、气体传感器和应用 |
| CN109142467A (zh) * | 2018-07-23 | 2019-01-04 | 杭州电子科技大学 | 一种高敏感度no2气体传感器及其制备方法 |
| CN114008449A (zh) * | 2018-12-21 | 2022-02-01 | 罗伯特·博世有限公司 | 包括陶瓷和离子凝胶的晶体管 |
| CN110530969A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-12-03 | 江苏大学 | 一种基于掺杂金属原子的石墨烯谐振式气体传感器的制备工艺 |
| CN114303056A (zh) * | 2019-08-30 | 2022-04-08 | 太阳诱电株式会社 | 气体判断装置、气体判断方法和气体判断系统 |
| CN110514698A (zh) * | 2019-09-27 | 2019-11-29 | 福州京东方光电科技有限公司 | 一种气体感测装置和气体检测设备 |
| CN110514698B (zh) * | 2019-09-27 | 2022-09-30 | 福州京东方光电科技有限公司 | 一种气体感测装置和气体检测设备 |
| CN112034014A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-12-04 | 山东大学 | 基于非共价单原子层石墨烯的电子氨气传感器的制备方法 |
| CN112255281A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-01-22 | 山东大学 | 基于单原子层氟化石墨烯的电子氨气传感器的制备方法 |
Also Published As
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| EP2940462A1 (en) | 2015-11-04 |
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