CN105474006A - 场效应晶体管和包括多个场效应晶体管的气体检测器 - Google Patents

Abstract

一种场效应晶体管，包括源，源包括之间具有空隙的多个电极突起。漏包括多个电极突起，所述漏的每个电极突起位于源的电极突起之间的一个空隙中，由此形成交替的漏和源突起的源-漏电极连接区域。栅与源-漏电极区域间隔开，由此在栅和源-漏电极连接区域之间形成沟道，其中栅与所述沟道平行。多个纳米结构位于源-漏电极区域中，由此在源-漏电极连接区域中的漏和源的电极突起之间形成电连接。本发明还包括气体检测器，气体检测器包括位于衬底上的如上所述的多个场效应晶体管。

Description

场效应晶体管和包括多个场效应晶体管的气体检测器

技术领域

本发明申请涉及场效应晶体管和包括多个场效应晶体管的气体检测器。

背景技术

场效应晶体(FET)是众所周知的，其包括三个端子源、漏和栅。有很多不同种类的具有各种结构和制造方法的FET。

就气体传感器而言，基于半导体材料的传统的气体传感器器件采用两个端子来测量有或没有气体存在时的材料的阻抗。

为了增强灵敏性和气体特异性，这种器件必须在适度高的温度下加热。

但是，加热不仅仅限制了小型微芯片上的大规模集成，而且是主要成本，阻碍操作且对电池的寿命要求高。

发明内容

本发明旨在提供一种改进的FET结构以及该改进的FET在改进的气体检测器中的应用。

根据本发明的第一方面提供一种场效应晶体管，包括：

源，所述源包括之间具有空隙的多个电极突起；

漏，所述漏包括多个电极突起，所述漏的每个所述电极突起位于所述源的所述电极突起之间的一个所述空隙中，由此形成交替的漏和源突起的源-漏电极连接区域；

栅，所述栅与所述源-漏电极区域间隔开，由此在所述栅和所述源-漏电极连接区域之间形成沟道，其中所述栅与所述沟道平行；以及

多个纳米结构，所述多个纳米结构位于所述源-漏电极区域中，由此在所述源-漏电极连接区域中的所述漏和源的所述电极突起之间形成电连接。

所述漏、所述源和所述栅优选在相同的平面中。

所述漏的所述电极突起可以具有细长的形状，并且在它们的一个端部处或附近相连接。

所述源的所述电极突起可以具有细长的形状，并且在它们的一个端部处或附近相连接。

位于所述源-漏电极区域中的所述多个纳米结构随机地布置在所述源-漏电极区域中。

所述源-漏电极连接区域大约为90微米×90微米。

根据本发明的第二方面提供一种气体检测器，包括多个位于衬底上的场效应晶体管，每个所述场效应晶体管包括：

源，所述源包括之间具有空隙的多个电极突起；

漏，所述漏包括多个电极突起，所述漏的每个所述电极突起位于所述源的所述电极突起之间的一个所述空隙中，由此形成交替的漏和源突起的源-漏电极连接区域；

栅，所述栅与所述源-漏电极区域间隔开，由此在所述栅和所述源-漏电极连接区域之间形成沟道，其中所述栅与所述沟道平行；以及

多个纳米结构，所述多个纳米结构位于所述源-漏电极区域中，由此在所述源-漏电极区域中的所述漏和源的所述电极突起之间形成电连接。

所述气体检测器可以包括8个位于衬底上的场效应晶体管。

所述气体检测器可以包括处理器，以从每个所述场效应晶体管接收信号，以及处理所述信号以确定一种或多种气体的存在。

附图说明

图1示出根据本发明实施例的场效应晶体(FET)的示意图；

图2示出图1的FET的更详细的示意图，特别更详细地示出源、漏和栅区；

图3(a)示出当漏-源电压、VDS恒定时，上述的FET的源上的栅电压(Vg)与漏电流(Ids)作用机理的四种主要情景，(b)为相对于漏-源极性为正或负的栅端子的四种主要连接方式(A，B，C和D)的示意图，示出在这种新型的晶体管中，两种配置导致光滑的输出特征，另两种导致随机的和无序的输出特征；

图4示出说明VO₂的纳米带如何散布遍及叉指型漏源区域；

图5示出根据示例性实施例的使用多个图1和图2中示出的FET的气体检测器的示意图；

图6示出图5中示出的气体检测器的FET中的一个的另一个示意图；

图7示出在正常条件下以及暴露在潮湿空气之后的VO₂/V₂O₅核-壳纳米带的正向电流-电压特征，该正向电流-电压特征示出当暴露在潮湿空气时电导率降低以及栅电压对漏(输出电流)的影响；

图8示出VO₂/V₂O₅核-壳纳米带在正常空气中且当暴露在潮湿空气中时随时间的横跨电阻，响应时间典型地为5秒，其中恢复时间为分钟量级；

图9示出MWCNT纤维在正常条件下及暴露在潮湿空气之后的正向电流-电压(Id对Vds)特征；

图10示出当CNT芯片在正常空气中以及在潮湿空气的影响下的漏电流与栅电压之间的曲线；

图11示出暴露在潮湿空气时的多壁碳纳米管随时间的横跨电阻；

图12示出本发明在糖尿病患者的呼吸中关于血糖水平的丙酮检测的示例性应用；

图13是示出气体检测器如何布置线路用于在环境温度下检测高达8种不同气体的框图；

图14示出VO₂/V₂O₅核-壳纳米带的正向电流-电压特征；

图15示出MWCNT纤维的正向电流-电压(I_D对V_DS)特征；

图16示出对芯片上的典型的VO₂/V₂O₅FET传感器的不同的湿度水平的响应对栅电压；

图17示出所有晶体管的家谱和标明本发明在该家谱中位于何处。

具体实施方式

在以下描述中，为了说明的目的，列出许多具体细节以提供对本发明实施例的全面理解。但是，对本领域技术人员而言明显的是，本发明可以脱离这些具体细节而实践。

参考附图，示出示例性场效应晶体管(FET)10。

FET10包括全部位于基底18上的漏12、源14和栅16。

连接漏12和源14的是多个纳米结构20，以下将对多个纳米结构20进行详细描述。

参考图2，源14包括之间具有空隙的多个电极突起24。

源14的电极突起可以具有细长的形状，并且在它们的一个端部处或附近相连接。

漏12还包括多个电极突起22，每个电极突起位于源的电极突起之间的一个空隙中，由此形成交替的漏和源突起的源-漏电极连接区域26。

漏12的电极突起可以具有细长的形状，并且在它们的一个端部处或附近相连接。

这形成包括叉指型电极突起24和26的源漏电极连接区域26，叉指型电极突起24和26互锁就像相扣的双手手指。

栅16与源-漏电极区域26间隔开，由此在栅和源-漏电极连接区域26之间形成沟道28，使得栅16与沟道28平行。

应理解的是，栅16依靠在与漏12和源14相同的表面上，但不接触漏12或源14。

应理解的是，漏12、源14和栅16在相同的平面中。

多个纳米结构20位于源-漏电极区域26中，由此在源-漏电极连接区域中的漏和源的电极突起之间形成电连接。这些在图1中示意性表示，并且将在以下详细描述。

在原型实施例中，FET10制作如下。

首先基底18使用氧化铝方衬底形成。接着将这些通过直流溅射涂布金属膜，优选为金。

借助金刚石刀(刀头典型的为30-60微米)在金膜上雕合出T形槽。进行该雕合以确保在希望绝缘的区域将金膜完全挖掘出，通过这种方式，只留下设计为漏、源和栅的膜的部分涂敷金。

应理解的是，与在标准洁净室设施中完成相同的任务的复杂度和成本相比，这项技术很简单。

通过不同的技术实施三种不同类型的一维纳米结构材料(TiO₂纳米纤维，V₂O₅纳米纤维，SnO₂纳米线和ZnO纳米棒)的芯片上生长，例如：(1)静电纺丝，(2)化学气相沉淀和(3)水热合成。这样形成纳米结构20。

因此，印刷在90微米×90微米的区域上的叉指型电极形式的金触点形成漏和源端子。第三电极平行布置在与漏-源区域相同的平面中。只有当将纳米材料布置在漏-源区域时，该器件才成为晶体管。这种晶体管可以称为横向栅叉指型漏-源FET(LGIDSFET)。图2给出说明。如以下将进一步解释的，这样的8个晶体管在1mm×1mm的Si/SiO₂晶片上排列成阵列，其中每个电极线键合至芯片载体的24个引脚中的每一个。

如以下将详细描述的，对于在气体检测器中使用的FET10，通过两种纳米材料之任一种制备纳米结构20从而制得该FET10。

这两种纳米材料为VO₂/V₂O₅核-壳纳米带和多壁碳纳米管。

为了完成这点，在异丙醇液体中形成VO₂/V₂O₅纳米带或多壁碳纳米管的悬浮液。

在一个示例中，通过称量5,3,1,0.5,0.2mg的VO₂/V₂O₅核-壳纳米带并将粉末转移至100mL的异丙醇试管中来准备异丙醇中的VO₂/V₂O₅核-壳纳米带悬浮液。类似地，5,3,1,0.5,0.4,0.2mg的碳纳米管可以加入至100mL的异丙醇液体中。

将悬浮液放置在超声浴中5分钟，以使纳米结构被摇动而均匀地分散在液体中。

几次测试之后，发现对于VO₂/V₂O₅核-壳纳米带，最优浓度为1mg/100mL，而对于碳纳米管为0.4mg/100mL。

一旦准备好悬浮液，使用滴管将微升微滴转移至FET的包含漏源电极的区域26中。

在降落填入纳米结构后，进行扫描电镜成像以确保该纳米在正确的位置处。图4为SEM图像，示出VO₂/V₂O₅核-壳纳米带如何散布在漏-源区域26上。

如所示，布置在漏电极和源电极之间的叉指型触点上的纳米颗粒随机降落，通过这种方式，纳米颗粒或纳米线形式的漏-源沟道以与栅方向成随机角度的方向定向。这种排布为栅中的电场和源漏中的电流之间的相互作用提供更大的自由度，这在以前是不可能的。

在传统的晶体管中，纳米结构通常与栅端子垂直。在这种情况下，漏电流通过MOSFET的肖克利方程给出：

$I_{DS}=\frac{W}{L}C{(V_G-V_T)}^2;C=\frac{2{\mathrm{\π\ϵ\ϵ}}_{0}L}{ln(2h/r)}---\left(1\right)$

以及对于结型FET(JFET)我们有：

$I_D=\frac{{\mathrm{qN}}_D{\mathrm{\μ}}_D{W}_D}{L}\[V_{DS}-\frac{2\[{\left(V_{DS}+V_T-V_{GS}\right)}^{3/2}-{\left(V_T-V_{GS}\right)}^{3/2}\]}{3V_{p0}^{1/2}}\]---\left(2\right)$

其中W和L分别对应于沟道直径和长度，以及C为每单位长度的栅介质电容，r＝L/2为沟道的半径，h为介质厚度，其余符号具有通常含义。本发明中通过将一维纳米结构(如纳米线、纳米棒和纳米管)布置在漏-源区域，栅电极和纳米结构之间的任何夹角均是可能的，通过这种方式，必须确定不同于肖克利方程的新方程。从基于本发明的第一个经验型结果来看，已经很清楚了，有两种可能性，即：(1)优选三次曲线原则而不是肖克利方程，因此：

$I_{DS}={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_1{V}_G+{\mathrm{\α}}_2{V}_G^2+{\mathrm{\α}}_3{V}_G^3---\left(3\right)$

其中在将方程2与从本发明的微芯片中得到的试验数据相配之后，对于与特定传感纳米材料相互作用的特定气体而言，必须确定系数α₀,α₁,α₂和α₃的值和极性。

或者(2)对于反向偏压：由于I_D对V_GS示出与肖克利方程的相反，可以采用指数衰减方程。在正向偏压中，I_D对V_GS再次示出肖克利方程的相反形状。这里我们可以采用方程1的负数。二者的和，正向和反向偏压方程导出：

$I_{DS}=A\exp \left(-\mathrm{\α}\frac{{\mathrm{eV}}_{GS}}{k_{B}T}\right)-\mathrm{\β}\frac{WC}{L}{(V_T-V_{GS})}^2---\left(4\right)$

值得注意的是，当在方程1至方程3中进行微分(或互导g_m)时，只有方程3(属于本发明)得到微分，即当在方向轴上使用V_GS作曲线时，在V_GS的特征值处显示峰。当应用于传感时，基于栅电压的响应(即晶体管的)可以如下从方程3和方程4的微分中得到：

如将在以下部分示出的，对这类晶体管传感器的这种分析是一种独特的特征，该特征将通过简单地“转”至希望的刺激物以及通过晶体管传感器的栅电压，有助于能够将一种气体环境与其它气体环境区分开。

布置在漏-源区域中的纳米结构中的漏-源电流上的栅电场还存在一种有趣的效应是，有可能如图3(a)的说明所给出的，当栅电压超过阈值电压(V_T)时，从源至漏的电流返回至源。

在任何种类的晶体管中都还未观察到。在传统的晶体管中，漏-源电流仅趋向于“关断”而的确在负方向上流动。这个新性质可能与耿式效应相关，即电流降低，因此电压的微分变成负电导。在本发明中，电流实际上在相反方向上流动。因此当V_g<0时，I_ds相当大，因为负的V_g导致I_ds流动至散开，而当V_g＝0时不是这种情况。当V_g>0时，电流继续下降直至当I_ds停止时V_g达到V_关断。导致零电流的栅电压有时称为阈值电压或V_T。当V_g增大到高于V_T时，晶体管示出I_ds的反转。

由于它的几何形状，这个新型晶体管的另一个新特征是，将栅连接作为相对于漏-源电流的极性的正极或负极的四种主要方式。漏-源的极性对LGIDSFET的输出特征有影响。在图3(b)中给出示意图，其中当G为+或-时D和S的极性交换，并且输出特征是光滑或随机的。当源的极性与栅的极性相同时，是光滑的；当极性相反时，是随机的。

以上描述的FET10用于产生如图5和图6示出的气体检测器30。

在示出的实施例中，使用多个FET10以形成气体检测器。原型实施例包括8个FET10，但应理解的是，这个数字基于需要的应用可以不同。

这8个FET平台制作如下。

在1000微米×1000微米的Si/SiO₂衬底32上，布置8个FET部件10，每个FET部件10具有3个金端子，示为s1；d1；g1,s2；d2；g2等等。衬底四周留出25微米的空隙。

每个部件测量为250微米×250微米，各个部件之间具有100微米的空隙。

这3个金端子中的每个测量为70微米×70微米。在这些端子之间有20微米的空隙。三个金端子中的两个通过30微米的长金条连接至“手指”叉指特征。这些条为1微米宽。

这3个金端子引线通过70微米弯曲至金盘，金盘测量为100微米×3微米且距离叉指手指特征1微米远。

手指特征的主干道相隔90微米。叉指手指是1微米宽，但是连接至一个干道的一个手指与相对干道之间留有1微米的空隙，且与相邻的手指等之间也留有1微米的空隙。手指间有1微米的节距以及叉指区域测量为100微米长，这导致约100个指状组织(来自两个干道中的每个的50个指头)。

初始的传感测试是在布置好VO₂/V₂O₅纳米带或碳纳米管之后，核实漏-源区域的电流-电压(I-V)特征。

应注意的是，在每个FET平台处放置不同的纳米结构是可能的，尤其是适合于传感特别的和特定的气体的那些纳米结构。

但是，纳米尺寸的传感器的共同的问题在于，纳米尺寸的传感器具有高灵敏度但是具有低选择性，因此一个替代方式是，在微芯片上的所有位置处放置同种纳米结构。每个FET相对于特定的气体的选择性可以通过在每个FET上改变栅偏压来实现。这将在下面更详细地描述。

无论如何，为了弄清1微米的芯片特征尺寸对纳米结构建立电连接的情况，进行该测试。

在确立了触点是安全的之后，确定并通过图表记录器软件记录漏-源上的瞬时电阻/电导。

瞬时电阻/电导曲线，也就是说，电阻/电导对时间的曲线，用于确定在以下段落中分别限定的响应S_res，恢复S_rec，响应时间τ_res，恢复时间τ_rec。

当决定采用哪种材料作为特定的气体的传感器时，很重要的是，基于有效的尺度评估材料范围。以下的品质因素广泛用于评估传感器。这些在以下的附录A列举的参考文献1-10中有更全面的描述。

(a)响应S_res，(存在或不存在气体时材料的电阻的相对改变)。为了研究该响应，例如，文献中有两种主定义：S＝|R_in-R_out|/R_in或者简单地S＝R_out/R_in，其中R_in是当存在分析物气体时传感器材料的电阻，R_out是不存在这种气体时的电阻。响应作为温度的函数，已经被发明人推导出了，具有如下形式S(T)＝(R_in/R_out)exp((E_a-E_0in)/k_BT))或者S(T)＝1-(R_in/R_out)exp((E_a-E_0in)/k_BT))，其中E_a和E_0in分别是存在或和不存在分析物气体时传感器材料的活化能，以及k_B是波尔兹曼常数。这个方程暗示当Ea>E_0in(E_a<E_0in)时，即当分析物传感器的相互作用是氧化特性的(还原特性的)时候，响应随温度增加而增加(降低)。

(b)恢复，S_rec，当传感器完全暴露在分析物中时以及当刺激物完全移开时电阻的相对改变。

(c)选择性(材料响应特定的气体而不响应存在的其它类型的气体的能力)。

(d)响应时间，τ_res，τ_res为时间段，将电阻(|R_in-R_out|)改变至初始电阻的90％或改变一个数量级所用的时间。

(e)恢复时间，τ_rec，传感后将电阻恢复至初始电阻的90％或将初始电阻恢复一个数量级所用的时间。

在决定传感器的性能中起重要作用的其它参数有：

(f)工作温度，T_opt，T_opt为为了获得最佳反应传感器材料必须加热达到的温度。

(g)环境的相对湿度(H)。

(h)大气压力(p_atm)。

发现在原型中，对于VO₂/V₂O₅系统，响应时间典型地为5秒，但是恢复时间要长得多，这是纳米结构的典型特征。这个缺点可以通过在栅中引入脉冲从而再次更新传感器而得到解决。

但是，已经发现，多壁碳纳米管的电阻-时间曲线形状具有响应时间低于3秒的更快的响应，以及在7秒时的更迅速的恢复。因此没有必要进行栅更新或UV光活化。

应强调的是，响应时间和恢复时间受栅电压(V_GS)的影响。这如图14(f)所示，其中可以观察到当V_GS＝0时恢复时间为20分钟，但是当偏压变为-5V时，恢复时间变得短得多(约1分钟)。

为了继续研究选择性，如上述(c)所限定的，改变栅电压，且取得暴露在各种气体之前或之后相应的漏-源。在本发明的原型中，发现当将栅电压从负电压扫至正电压时漏电流降低。这与正常的后栅晶体管不同，对后栅晶体管而言，当增加栅电压时漏电流增加。在正栅电压的情况下，漏电流彻底降落至“关断”态。每个气体环境给出独特的关断电压或阈值电压V_T。这个性质有助于针对特定气体对芯片上的8个传感器中的每个进行校准(图11)。

当芯片在正常空气中以及当在潮湿空气的影响下，漏电流相对于栅电压的曲线示出趋于零漏电流的向下的趋势，其中阈值电压值V_T取决于传感器周围的环境。这个趋势示出每个气体环境具有它独特的V_T。

具有最高响应的材料是理想的，但是如果这个高响应仅仅在极其低或高的温度下才能获得，那么这将是无效的，在这种情况下，操作这样的传感器件将是很耗能的。好传感器应是在室温下甚至在相对高的潮湿条件下具有高响应。对于延长电池寿命的不断需求而言，这些特征是必要的。如果传感器必须加热至室温以上或冷却至室温以下，则电池功率的需求变得巨大并且传感器不能操作足够长的时间。在室温下操作避免额外的加热或冷却。另外，好传感器必须对分析物气体具有很短的响应时间，以及当分析物气体移开时具有迅速的恢复。响应时间和恢复时间又是取决于温度的。所有这些好品质很难在单个材料上得到。

根据本发明，可以更加接近得到任何单个传感材料的所有好品质。

发明人和合作者已经公布一种用于评估几种传感材料的上述性质的方法。该方法使用一些数学公式，联合传感器响应S_res，传感器恢复S_rec，响应时间和恢复时间(τ_res，τ_rec)，温度T，大气压力p，湿度H。关于任何传感材料有怎样的效率的方程可以如下：

${\mathrm{\&eta;}}_{eff}^{\&times;}\left(T\right)=\frac{S_{res}\&CenterDot;S_{rec}\exp \left(-\frac{{(T-T_{opt})}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_{SD}^2}\right)\exp \&lsqb;-\left(\frac{T_{room}}{T}+\frac{H}{H_{std}}-\frac{p}{p_{std}}-\frac{1\sec }{{\mathrm{\&tau;}}_{res}}-\frac{1\sec }{{\mathrm{\&tau;}}_{rec}}\right)\&rsqb;}{S_{res}\left(T_{room}\right)\&CenterDot;S_{rec}\left(T_{room}\right)\exp \left(-\frac{{(T_{room}-T_{opt})}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{SD}^2}\right)}\&times;100\%---\left(7\right)$

在这个最近的公布中，材料接触为粉末。这个方法非常粗略，因为对于所有考虑的材料而言接触模式不是相同的。

为了说明本发明，在表1中给出通过粗略方法获得的所有参数(其中CoP代表不同于传感效率的性能系数)，以及将这与到目前为止在本发明的微芯片上测试的相同的两种材料(VO₂和碳纳米管)的性质进行对比。这意味着通过采用这个新发明，可以得到大的性能改进。

例如，当布置在本微芯片上时，VO₂纳米棒进行11％的效率改进(从η＝36.5到η＝47.5)。其中碳纳米管从η＝8.5改进到η＝42.2(34％的效率改进)。这意味利用本发明，实践中任何传感材料现在均可以在室温下传感。

本发明不仅显示更好的性能，而且示出高于目前为止文献中所提到的传感器的最快的传感和最快的恢复。

这个效率改进还带来选择性改进的附加特征。这包含在具有栅的设计中，其中电压极性和量级均可以用于调整器件以仅对某些气体具有灵敏性而对其它气体“关闭”。

易于将纳米材料布置在器件上是本发明的另一重要优势。

在本发明的原型中，使用检测器来检测和确定典型地从矿井中发出的以下气体的量：甲烷(CH₄)、氡(Rn)和工业相关的污染物(例如氨NH₃、氧化氮NOx、一氧化碳CO和硅烷SiH₄)，如图8(e)所示，其中VO₂/V₂O₅FET传感器显示出较之于其它气体对于NH₃更具有选择性。

本发明的创新方面是使用栅电压作为FET传感器的“调整”变量的能力。根据方程3和4，如传统的FET一样，漏-源电流非常受栅电压的影响，但是当栅电压超过特征阈值电压(V_T)时，漏电流经历方向上的反转(负电导/电阻)。这种行为在FET中是新颖的，并且这归因于叉指漏源区域和栅的几何形状。附加特征是显示响应对栅电压的曲线中的峰的能力。对于FET传感器上的每种材料和每个刺激物，这个峰出现在特征栅电压处。这在以前曾在后栅FET[2,3]上尝试过，其中最终，该研究没有示出传统的后栅晶体管可以不管刺激气体的浓度而示出相同的临界栅电压。

但是在本发明中，不管丙酮的浓度和湿度水平，VO₂/V₂O₅和CNTFET传感器均对特定的气体反复示出相同的临界栅电压。这些峰与上述方程6一致。这将是全球传感领域的转折点，而在传感领域纳米材料的选择性是最薄弱的环节。

在图16(a)中，示出对本发明的芯片上的典型的VO₂/V₂O₅FET传感器的不同的湿度水平的响应对栅电压，以及(b)为低湿度线形状的放大。在(a)和(b)中，不管湿度水平，在8V的临界栅电压处对湿度有特征最佳响应，在(c)中，对8个CNTFET传感器中的一个的不同的湿度水平的响应对栅电压。在这种情况下，CNT最佳在3V的临界电压处响应湿度。在(d)中，8个VO₂/V₂O₅FET传感器中的一个响应湿度和丙酮蒸气。不管丙酮水平如何，在V_GS＝-5V处示出峰，然而，不管湿度的强度如何，在V_GS＝8V处示出峰。

检测器还能够用于以下用途：

·检测患者的呼吸味用于糖尿病、肾脏(肾和肝)障碍和溃疡的早期检测。

·从TNT和其它爆炸物(从隐蔽的爆炸物，如公共场所(如机场)的地雷、移动炸弹)中发出的十亿分率的气体浓度的检测。

·通过检测从各种兴奋型药物(如安眠酮-苯海拉明复合剂、大麻等)中发出的气体而实施毒品交易控制。

应理解的是，以上描述的FET是纳米尺寸，允许室温气体检测，使污染监测不需要加热传感器，而加热传感器在传统的电子鼻中是普通的。

图12示出传感器在糖尿病监测上的示例性应用。本发明的传感器响应对患者的血液中的葡萄糖浓度作图。应理解的是，在第一结果中，暗示血糖和传感器响应之间有线性相关性。

这示出利用传统的方式监测血液葡萄糖，患者必须一天经历超过两次痛苦的手指刺痛折磨，这可以被器件取代，其中患者将简单地要求呼出他的/她的呼吸至传感器上，即获得相同的血糖读出。

这种单个晶片的集成，即基于加热器的传统的传感器，对传统的气体传感器而言是不可能的，由于热从一个点流向芯片的其它部分，传统的气体传感器对每个传感器应用加热器。

在传统的气体传感器中，传感材料通过在衬底的背部的印刷Pt或CoPt电极加热，在衬底的顶部布置有传感材料。对传感器件的背部的加热器的需要源于观察到每个特定的气体在特定的最佳温度下与传感器材料唯一地且最佳地相互作用。印刷的加热器上的特征之间的间隙可以为150-180微米。类似地，控制传感材料的电极间的特征尺寸将传统地具有跟印刷的加热器相同量级的特征尺寸。

如果必须将数个这种器件布置在一个微芯片上，那么每个器件需要为相对于特定气体校准的那个特定的器件设置它特定的温度。很难将数个这种传感模块布置在一个微芯片中，原因是如果器件均在一个单个的衬底上，则一个传感器的热将化解至其它传感器件中。通过这种方式，将特定的器件上的温度保持在希望的常温将是极其困难的，由于这些器件之间有很多热串扰，并且由于这个原因，气体特异性成为了当代全球气体传感领域最困难的挑战。

该新发明去除加热，相反地，通过场效应晶体管的栅电压控制一种气体与传感材料的相互作用。特征尺寸可以小至1微米，且因此，现在将8个FET传感模块布置在一个非常小的点而不受所述串扰所困是可能的。

无论如何，图13示出包括多个FET的本发明的微芯片如何可以与具有微处理器、数据存储和高达8种不同气体的显示的电子特征界面相互连接的示意图。

从传感器接收的信号被放大，接着通过模数转换器转化为数字信号。来自每个芯片的各种信号被多路复用，接着经由USB连接器馈入计算机，计算机包括处理接收的信号以及允许它们被显示、存储和操纵的软件操作。

因此，处理器接收来自各个场效应晶体管的信号并处理信号以确定一种或多种其它气体的存在。

应理解的是，微芯片的尺寸使得有可能与现代器件(如手机接收器及其它存储器件)集成。

还应理解的是，在本发明中栅和漏-源之间没有接触。这产生新的FET性质。

漏-源之间的纳米粒子的随机布置允许沟道至栅的长度(CGL)的调整，这是FET的新参数。

这种LGNFET集成在单个的1mm×1mm的Si/SiO₂晶片上，使得这种微芯片成为到目前为止包含高达8个传感元件的最小区域的微芯片。

每个FET可以校准以传感一种特别的气体类型，使得这个芯片成为1平方毫米的8气体检测器。

图14(a)示出在正常条件下不同栅电压水平的VO₂/V₂O₅核-壳纳米带的正向电流-电压特征。在(b)中，示出I_D对V_GS曲线。注意当V_GS变得大于V_T时漏电流反转。在(c-d)中，示出当8个VO₂/V₂O₅FET传感器中的一个暴露在各种相对湿度水平的潮湿空气中且当栅电压(V_GS)从0变化到15V时漏电流对时间。在(e)中，示出典型的VO₂对各种气体(CO,CH₄,NO₂,NH₃和H₂S)的响应以及对NH3的优选选择性。在(f)中，示出当栅电压从-5V变化到5V时，漏-源沟道的电阻对时间。注意当传感器有-5V的栅电压的偏压时迅速恢复。这些数据的更多分析在图16中显示。

图15示出(a)MWCNT纤维(FET1)在正常条件下的正向电流-电压(I_D对V_DS)特征；(b)在FET1的V_DS＝5V，在正常大气条件以及暴露至潮湿空气和丙酮蒸气之后的I_D对V_GS；(c-d)在微纳米芯片上的FET1和FET6在存在潮湿空气的情况下漏电流对时间；(c)在各种栅电压下，示出当栅电压从0增加到12V时，响应于湿度的增加和降低。在3V-5V的V_GS处示出最大响应，超过该点湿度响应降低。

图16(a)对芯片上的典型的VO₂/V₂O₅FET传感器的不同的湿度水平的响应对栅电压；以及(b)低湿度线形状的放大。在(a)和(b)中，不管湿度水平，在8V的临界栅电压处对湿度有特征最佳响应，在(c)中，对8个CNTFET传感器中的一个的不同的湿度水平的响应对栅电压。在这种情况下，CNT最佳在3V的临界电压处响应湿度。在(d)中，8个VO₂/V₂O₅FET传感器中的一个响应湿度和丙酮蒸气。不管丙酮水平如何，在V_GS＝-5V处示出峰，然而，不管湿度的强度如何，在V_GS＝8V处示出峰。

图17(I)示出所有晶体管的家谱和标明本发明在该家谱中位于何处；(II)本发明和传统晶体管的一些有区别的电流-电压特征。(III)分解示意图，示出(a)在叉指平台下的传统热板，传感材料布置在热板上；(b)示出附加的栅电极的传统气体FET和我们的缺少加热器的气体FET。注意在设计和实现示意图(b)中的困难和诸多程序。但是(c)中我们本设计不仅仅产生新FET性质而且它是一种易于实施的设计，且较之于(b)中传统气体FET更易于引入活性传感材料。

附录A

[1]BonexMwakikunga,SarahMotshekga,LuckySikhwivhilu,MathewMoodley,GeraldMalgas,ManfredScriba,SuprakasSinha-Ray,基于提出的传感器性能系数和传感器效率方程的纳米材料的H2气体的传感能力的分类和排名，传感器&促动器B(2013)170–178

[2]ChaoLi,DaihuaZhang,XiaoleiLiu,SongHan,TaoTang,JieHan,和ChongwuZhou,用作化学传感器的In2O3纳米线，应用物理快报82(2003)1613-1615

[3]DaihuaZhang,ZuqinLiu,ChaoLi,TaoTang,XiaoleiLiu,SongHan,BoLei,和ChongwuZhou,“使用单个和多个In2O3纳米线器件的NO2低至ppb的检测”，纳米快报2004，第4卷，第10期，1919-1924

[4]ArashDehzangi,AMakarimiAbdullah,FarhadLarki,SabarDHutagalung,EliasBSaion,MohdNHamidon,JumiahHassan和YadollahGharayebi,在p-型双栅中的电学性质比较和电荷传输以及通过AFM纳米光刻制备的单栅无结累积晶体管，纳米研究快报2012,7:381

[5]FarhadLarki,ArashDehzangi,E.B.Saion,SabarD.Hutagalung,A.MakarimiAbdullah,M.N.Hamidon,横栅p-型硅纳米线晶体管(PSNWT)，固态科学和技术快报，第17卷，第1期，(2012)

[6]FarhadLarki,SabarD.Hutagalung,ArashDehzangi,E.B.Saion,AlamAbedini,A.MakarimiAbdullah,M.N.Hamidon,JumiahHassan,通过原子力显微镜纳米光刻制备的无结横向栅硅纳米线晶体管的电子传输性质，微电子学和固态电子学，2012,1(1):15-20

[7]J.Martinez,R.V.Martínez,和R.Garcia,具有4nm的沟道宽度的通过原子力显微镜纳米光刻制备的硅纳米线晶体管，纳米快报2008，第8卷，第11期，3636-3639

[8]BonexMwakikunga,SuprakasSihnaRay,MaloseMokwena,JohnDewar,IrinaGiebelhaus,TrilokSingh,ThomasFischer,SanjayMathur,用于传感丙酮和乙醇的动能用于糖尿病监测的二氧化锡纳米线器件，IEEESensorsXplore2013

[9]BonexMwakikunga,SuprakasSihnaRay,MaloseMokwena,JohnDewar,IrinaGiebelhaus,TrilokSingh,ThomasFischer,SanjayMathur,IEEESensorsJournal(2014)

[10]HengYuan,BoWang,Se-HyukYeom,Dae-HyukKwon,Shin-WonKang,使用横向栅BJT和组装的溶致变色染料的室温苯气体的检测，IMCS2012–化学传感器的第14届国际会议

Claims (9)

1.一种场效应晶体管，包括：

源，所述源包括之间具有空隙的多个电极突起；

漏，所述漏包括多个电极突起，所述漏的每个所述电极突起位于所述源的所述电极突起之间的一个所述空隙中，由此形成交替的漏和源突起的源-漏电极连接区域；

栅，所述栅与所述源-漏电极区域间隔开，由此在所述栅和所述源-漏电极连接区域之间形成沟道，其中所述栅与所述沟道平行；以及

多个纳米结构，所述多个纳米结构位于所述源-漏电极区域中，由此在所述源-漏电极连接区域中的所述漏和源的所述电极突起之间形成电连接。

2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中所述漏、所述源和所述栅在相同的平面中。

3.根据权利要求1或2所述的场效应晶体管，其中所述漏的所述电极突起具有细长的形状，并且在它们的一个端部处或附近相连接。

4.根据前述任一项权利要求所述的场效应晶体管，其中所述源的所述电极突起具有细长的形状，并且在它们的一个端部处或附近相连接。

5.根据前述任一项权利要求所述的场效应晶体管，其中位于所述源-漏电极区域中的所述多个纳米结构随机地布置在所述源-漏电极区域中。

6.根据前述任一项权利要求所述的场效应晶体管，其中所述源-漏电极连接区域大约为90微米×90微米。

7.一种气体检测器，包括多个位于衬底上的场效应晶体管，每个所述场效应晶体管包括：

源，所述源包括之间具有空隙的多个电极突起；

漏，所述漏包括多个电极突起，所述漏的每个所述电极突起位于所述源的所述电极突起之间的一个所述空隙中，由此形成交替的漏和源突起的源-漏电极连接区域；

栅，所述栅与所述源-漏电极区域间隔开，由此在所述栅和所述源-漏电极连接区域之间形成沟道，其中所述栅与所述沟道平行；以及

多个纳米结构，所述多个纳米结构位于所述源-漏电极区域中，由此在所述源-漏电极区域中的所述漏和源的所述电极突起之间形成电连接。

8.根据权利要求7所述的气体检测器，包括8个位于衬底上的场效应晶体管。

9.根据权利要求7或8所述的气体检测器，其中所述气体检测器包括处理器，以从每个所述场效应晶体管接收信号，以及处理所述信号以确定一种或多种气体的存在。