CN106233464A - 化学敏感场效应晶体管传感器 - Google Patents

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Abstract

用于使用高灵敏性、小尺寸且具有低能耗的化学敏感场效应晶体管(CS‑FET)设备的阵列的多种气体或蒸汽的化学传感的系统和方法。传感器层为形成硅衬底上的源极和漏极之间的过渡金属氧化物、稀土金属氧化物或金属纳米粒子的超薄膜。传感器层的功函数可以通过在其表面上的化学物质的吸附来操控。这些变化引起下层硅沟道的表面电位的变化，从而实现设备的电流调制。通过选择适合的传感器层，不同的化学物质会产生不同的输出信号。这些信号的外部信号处理的使能以及传感器和阵列轮廓匹配使得可以进行多气体检测。

Description

化学敏感场效应晶体管传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求申请号为62/007,396、申请日为2014年6月3日的美国临时申请的优先权和权益，其全部内容以引用方式结合于此。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用。
计算机程序附录的引用并入
不适用。
技术领域
本技术主要涉及电子气体传感器，尤其涉及化学敏感场效应晶体管（CS-FET）设备，该设备可作为低能耗、高灵敏、小尺寸、多种气体检测的化学传感器单独使用或是呈传感器阵列使用。
背景技术
微电子化学传感器自从20世纪70年代以来已经被开发作为气相色谱以及其它复杂昂贵的实验室传感设备的低成本替代物。化学传感器技术的一个主要类别是基于化学敏感材料，比如金属氧化物或聚合物的膜的导电性的变化。
大多商业气体传感器是基于由多晶后过渡金属氧化物半导体，比如SnO2、ZnO和In2O3制成的厚陶瓷膜。金属氧化物传感器的两种类型为：响应于氧化气体的n型以及响应于还原气体的p型。例如，p型传感器响应于氧化气体，比如O2、NO2和Cl2，因为这些气体移除电子并产生空穴，即产生电荷载体。相比之下，n型传感器通过空气中的氧气与传感器的表面的反应来操作，从而可俘获表面上的任何自由电子并在这些区域产生电阻。然而，如果传感器暴露于还原气体，由于气体与氧气反应并释放电子，因而电阻下降。
暴露于传感器的气体通过监控传感器的氧化物层的电阻来检测。进入的气体分子与预吸附的氧气、羟基或水分子反应，导致氧化气体，比如NO2和O3的电阻的增加以及还原气体，比如H2、H2S、CH4、NH3、CO和NO的电阻的减少。电导的变化通常与进料中检测的气体的浓度成比例。灵敏度还取决于氧化物材料及其多孔微结构的电子性质。
传统氧化物气体传感器需要较高的操作温度的第一原因在于传感器响应和恢复都需要的表面氧化和还原反应在温度低于200℃时太慢。传统的金属氧化物气体传感器达到较高的选择性是通过在温度典型地在300℃和600℃之间的条件下操作传感器从而改变表面化学吸附的氧气的化学状态—使之从O2 -变成反应性更强的O-—而实现的。在此较高的温度下，某些进料气体分子，比如氧气、甲烷、一氧化碳或硫化氢可以被存在于金属氧化物膜表面的氧类化学还原。
需要较高的操作温度的第二原因在于金属氧化物表面吸收的水分抑制了传感器-分析物气体反应，因此必须在100℃以上，即水的沸点以上的操作温度下去除水分。吸附的水分子在高温下的脱附由此可进一步提高灵敏度。
这些高温操作要求的后果是传感器必须具有加热单元用以提供所需的温度，因此相比于由其它材料制造的传感器，基于MOS的设备的功耗非常高。功率要求还限制了传统MOS传感器系统的便携性。
传统氧化物传感器的另一重要缺点在于其缺少选择性。基于金属氧化物的气体传感器通常对进料气体样品中的一种以上的化学物质灵敏并常常显示为交叉灵敏度。结果，来自目标气体的传感器测定或信号可能受来自交叉反应的气体的干扰信号的影响而失真或减少。
因此，需要可在室温下操作的气体传感设备，从而产生较低的功耗并为便携式设备提供理想的平台。还需要低成本条件下可提供有效传感的材料和方法。本发明可满足这些需求以及其它，且相对现有技术来说是一种改进。
发明内容
本技术提供了单一传感器或化学敏感场效应晶体管（CS-FET）设备的阵列，可用作低能耗、高灵敏、小尺寸以及多种气体检测的化学传感器。例如，没有限制条件下，除了一层传感材料，比如过渡金属氧化物（TMO）被用于替代栅电极之外，该设备具有类似于传统金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）的基本结构。沉积在CS-FET设备的沟道上的过渡金属氧化物（TMOs）的功函数可通过在其表面上化学物质的吸附来控制。这些改变可引起下层Si沟道的表面电位的变化，从而实现设备的电流调制。通过选择适合的TMO或其它传感器材料，不同的化学物质会从传感器产生不同的输出信号。这些信号的外部信号处理将使得可以进行多种气体检测。仅通过改变传感材料的选择，CS-FET平台将适用于任何种类的化学物质。
本技术还提供了具有不同灵敏度和选择性的传感器阵列系统。各传感器本质上为转化器，可将与分析物气体流的化学相互作用转换成响应于所述气体流的一种或多种组分气体的识别和量的电信号。因此，特定目标气体的识别不仅可依赖于传感器的灵敏度和选择性，还可依赖于带有模式识别算法的阵列响应的分析。
单独使用或呈阵列使用的化学敏感场效应晶体管（CS-FET）传感器一般包括源极；漏极；以及沉积在所述源极和漏极之间替代栅极的过渡金属氧化物（TMO）或其它材料的传感器层。在源极和漏极之间的电流调制通过暴露于气体而带来的化学敏感TMO层的功函数和表面电荷的变化来进行感应。
在优选的实施例中，阵列的传感器的传感轮廓（sensing profiles）被收集并与单一和组合气体的传感轮廓库相比较，从而识别分析物气体的未知流的组分气体。轮廓库和比较可发生在计算机编程或系统的显示器中。
在一个实施例中，CS-FET装置为具有对不同气体敏感的不同TMO层的CS-FET设备的阵列中的一个单元。阵列也可在传感器的类型上具有冗余，且冗余的传感器结果可被确认和关联。
可见，CS-FET传感器是完全CMOS兼容的。可在为完全集成的、可放大的且紧凑的实验室芯片技术提供平台的相同芯片上直接进行后处理，同时可以小型化并与现有的大规模生产设备相兼容。CS-FETs不需要短沟道设备，因此可与>90nm的技术节点相兼容。这一优点不仅减少了制造成本，还减少了完整的传感器系统市场化的时间。
与目前的传感器不同的是，基于硅集成电路的制造工艺也能被用于开发独特的紧凑型气体传感器，其可在室温下操作，功率消耗最小，展示了优越的灵敏度，提供化学选择性以及多种气体检测能力，并为广阔领域的开发提供了极低成本复制的前景。
根据本技术的一个方面，提供的传感器装置在衬底上具有薄膜、纳米线束或单一纳米线敏感元件。
本发明的另一方面在于提供了一种用于从进料或气体源之中识别及定量目标气体的传感器阵列和系统，并带有传感器轮廓库以及用于与获得的传感器轮廓相比较的单一气体或混合气体的阵列轮廓库。
根据本技术的进一步的方面，提供了一种用于识别和定量目标气体的方法，包括形成用于与模式识别算法相比较的传感器和阵列轮廓库，并允许在线、实时分析且无需制备大量样品。
本技术的进一步的目标和方面将在本说明书的以下部分中引出，其中的详细说明是为了在不形成限制的情况下充分公开本技术的优选实施例的目的。
附图说明
参考以下附图将更全面地理解本文所述的技术，这些附图仅仅是为了进行示意性的说明：
图1为根据本技术的一个实施例的具有平面化学敏感薄膜层的传感器结构的示意图。
图2为根据本技术的一个可选实施例的在绝缘体上硅基底上具有平面化学敏感薄膜层的传感器结构的示意图。
图3为根据本技术的第二可选实施例的在绝缘体上硅基底上具有纳米线或纳米线束化学敏感层的传感器结构的示意图。
图4A至图4C为根据本技术的一个实施例的图1的传感器结构的阵列、传感器信号轮廓以及处理器的系统示意图。
图5为根据本技术的一个实施例的利用传感器阵列和传感器响应轮廓库的气体分析方法的流程示意图。
具体实施方式
具体参考用于示意性说明目的的附图，主要显示了利用传感器阵列和气体传感器轮廓库的化学敏感场效应晶体管和气体传感的装置和方法的实施例。本技术的几个实施例如图1至图5的大致描述所示，用于示意说明该装置和方法。需要注意的是，在不偏离在此公开的基本概念的前提下，方法的具体步骤和顺序可以变化且装置的结构细节也可以变化。方法步骤仅是这些步骤可以发生的顺序的示例。这些步骤可以所期望的任何顺序进行，只要其仍然能实现所声明的技术目的。
图1示意性描述了用于从源流或气体样品中感知目标气体的装置10的一个实施例。传感器10的可选实施例如图2（2D：SOI）以及图3（1D：纳米线）所示。图1、图2和图3所示的各个传感器结构可被整体看作“化学敏感FET”或“CS-FET”传感器。
图1所示的设备为类似于没有栅极结构的传统硅MOSFET结构的3D：平面版本。在该示意图中，栅极堆叠被不同过渡金属氧化物（TMOs）或金属纳米粒子的超薄膜所替代。
图1所示的实施例基于p型硅基底12。虽然此处示出了p型衬底，但应理解的是该设备也可基于n型衬底。n+Si的损耗区14形成在源极16之下以及漏极18之下。随后，不同TMOs或金属纳米粒子的超薄膜20被沉积在图1示意所示的硅层14的顶面上而不是在栅极堆叠上。
TMOs对环境气体高度敏感，其功函数以及表面电荷很容易被操控。CS-FET的操作机理类似于传统的硅MOSFET，除了源极和漏极之间测得的电流调制不是通过施加栅电压来诱导而是通过将层暴露于气体从而改变顶部上的超薄敏感膜层20的功函数和表面电荷。
TMOs或金属纳米粒子的超薄膜20的厚度范围优选在大约2nm至大约10nm。此外，超薄氧化物层20的使用使其变得本质性地对表面处的变化敏感。例如，所知MoOx的功函数对吸附的气体分子的亚单层表现出极高的灵敏度，功函数从清洁MoOx表面的6.6eV变为覆盖表面的＜5eV。超薄氧化物进一步提供了最大栅耦合，并在MOSFET的沟道中产生强的漏电流调制从而获得高的检测灵敏度。进一步的，超薄氧化物膜的沉积通常导致形成氧化物纳米粒子，氧化物纳米粒子为气体吸附提供强化表面区域，从而进一步提高了灵敏度。
因此，所选的超薄膜20应具有足够的导电性从而实现电阻率测量。化学敏感超薄层20的佳选包括用于气体传感的多种氧化物。其中不仅包括还在光伏和显示应用中用作透明导电电极的后过渡金属氧化物，而且还包括具有更高典型电阻率的TMOs。
除了电阻性半导体TMOs，比如TiO2、V2O5、MoO3、WO3、Fe2O3、NiO以及它们的低价氧化物，CS-FET构造还可利用绝缘TMOs，比如经常用作高k栅介电质的ZrO2、HfO2、Ta2O5和Y2O3以及可提供混合化合价作为活性传感介质的稀土金属氧化物（RMOs），包括La2O3、Gd2O3和Er2O3。
此外，化学敏感超薄层20也可由金属纳米粒子，比如对特定气体显示高灵敏度的Au、Pd、Ag、Pt、Ru以及这些材料的组合，比如Au/Pd、Au/Ag、Au/Pt、Au/Ru来组成。
其氧化物可作为并入能在化学敏感超薄层20上产生吸附的气体的特征性指纹的CS-FETs的候选的可用金属的列表包括：钪（Sc）、钛（Ti）、钒（V）、铬（Cr）、锰（Mn）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、锗（Ge）、镓（Ga）、钇（Y）、锆（Zr）、铌（Nb）、钼（Mo）、锝（Tc）、钌（Ru）、铑（Rh）、钯（Pd）、镉（Cd）、镧（La）、铪（Hf）、钽（Ta）、钨（W）、铱（Ir）、铂（Pt）、金（Au）、汞（Hg）、铊（Tl）、铅（Pb）、铋（Bi）、镁（Mg）以及铝（Al）。
此外，灵敏性超薄材料层20还可以是金属硫化物或对目标气体具有反应性的有机材料。
单个传感器10的可选实施例如图2所示。在本实施例中，还使用了p型硅衬底22作为优选基体。例如氧化物的绝缘层24被沉积在基底22的顶部上，另一p型硅层26设置在绝缘层24的顶部上从而形成绝缘体上硅（SOI）基体结构。源极28以及漏极30被设置在硅层26上并且n+Si损耗层形成在电极之下。在本实施例中，化学敏感超薄层32还设置在顶部硅层26的表面上。
用于绝缘层24的适合绝缘体典型地为二氧化硅或蓝宝石。绝缘层24主要降低了寄生设备电容。用于化学敏感层32的适合材料与在图1所示的实施例中所描述的化学敏感层20的材料相同。
单个传感器设备10的另一可选实施例如图3所示。在此，p型硅的基层34具有带有顶部硅层38的可选的绝缘氧化物层36。源极40和漏极42被设置在贵层38的顶面上。
化学敏感元件44可以为单个TMO或金属纳米线或纳米线束或纳米线网状膜或其它纳米粒子。纳米粒子可以是过渡金属纳米粒子或金属纳米粒子，比如Au、Pd、Ag、Pt、Ru以及这些材料的组合，比如Au/Pd、Au/Ag、Au/Pt、Au/Ru和Pd/Ni金属。
可以对一种或多种类型的CS-FET气体传感器，如在图1、图2或图3中所描述的这些的组合的阵列进行组装。具有TMOs或其它材料的不同薄膜的传感器会显示不同的气体选择性。在本实施例中，气体吸附对下层的硅MOSFET的源极和漏极之间的电流进行调制。处理来自所有单个传感器产生的数据将可以确定吸附的气体的特征性“指纹”或信号轮廓，并可以与用于气体识别的传感器轮廓的数据库相比较。
例如，具有能够通过模式识别来识别各分析物气体或分析物气体的混合物的9个不同的气体传感器和信号多路复用电子器件的阵列52的系统50如图4A至图4C所示。各传感器52，具体如图4B所示，具有取决于用在传感器上的化学敏感薄膜且针对特定气体的灵敏度。例如在图4C中，传感器54显示了对于气体的灵敏度轮廓56，该气体在本示例中为H2S。同样，阵列52的传感器58具有不同的灵敏度信号轮廓60，且传感器62具有针对相同气体的不同的轮廓64。从每个传感器或阵列52获得的灵敏度轮廓通过计算机66来处理并与已知的阵列传感器模式和传感器灵敏度模式的库相比较，从而识别组分气体。传感器中由于气体吸附或其它相互作用引起的变化优选被转化成电信号，并可在被计算机66的编程的模式识别系统识别之前被预处理和调控。
参考图5，描述了用于借助传感器的阵列感知气体的方法100。方法100使用多个传感器的阵列的分布响应来识别气体样品的未知组分。
在图5的流程块110中，一个或多个阵列的传感器被设计并入系统之中。阵列的传感器优选被连接至系统中的记录和处理设备，使得来自阵列的每个传感器的传感器信号可以被记录和/或被评估。可包含在流程块110的阵列中的传感器的选择可受到会被系统分析的气体或气体混合物的类型的影响。阵列还可以使用具有大范围灵敏度的大量传感器来组装，从而使系统可检测大频谱范围的气体。阵列还可以使用冗余传感器来组装，从而产生可进行比较的冗余轮廓用以核实结果和结论。如果来自相同类型的传感器的轮廓本质不同，那么该结果可能被重新评估。
因为单独的传感器可以是或者可以不是针对任何特定气体具有选择性，因此阵列的分布响应被用来识别气相样品的组分。通过使用不同传感器的阵列，来自流或样品的气体可以通过独特的“指纹”被区分和识别，该“指纹”由每种气体产生并以测得的阵列的电子响应模式的形式。
在图5的流程块120，通过形成针对大范围的多种单一气体的阵列传感器轮廓模式库对系统进行初始化训练。每个传感器类型和阵列模式的各传感器轮廓优选被记录并被置于可检索的各气体和气体的组的轮廓库之中。其它参数，比如气体浓度、温度和压力也可在流程块120被记录。
因为对于传感器来说通常难以区分两种不同的气体，在流程块130，也可以用来自气体的组合的传感器和阵列数据对系统进行训练。在流程块130的大范围的多种气体组合的库将给予系统更大的灵敏度和准确性。
一旦阵列数据库在流程块120和130被组装，传感器阵列即可在流程块140被用来评估作为样品的未知气体。在流程块140获取的阵列传感器数据可以与用于在流程块150中进行模式匹配的阵列数据库中发现的相比较。
目标气体和气体浓度的识别可以在线并实时进行。
基于以上讨论，需要注意的是，在此描述的本技术可以各种方式来实施，包括以下：
1.一种化学敏感场效应晶体管（CS-FET）装置，包括：（a）具有源极和漏极的硅衬底；以及（b）在所述源极和漏极之间的所述衬底上的化学敏感材料的超薄膜的传感层；（c）其中所述源极和漏极之间的电流调制通过暴露于至少一种气体所带来的所述传感层的功函数和表面电荷的变化来进行感应。
2.任一前述实施例的装置，其中所述传感层包括过渡金属氧化物（TMO）的超薄膜。
3.任一前述实施例的装置，其中所述传感层的所述过渡金属氧化物（TMO）包括电阻性半导体TMO，所述电阻性半导体TMO选自由TiO2、V2O5、MoO3、WO3、Fe2O3、NiO以及它们的低价氧化物组成的组。
4.任一前述实施例的装置，其中所述传感层的所述过渡金属氧化物（TMO）包括绝缘TMO，所述绝缘TMO选自ZrO2、HfO2、Ta2O5和Y2O3。
5.任一前述实施例的装置，其中所述传感层包括稀土金属氧化物（RMO）的超薄膜，所述稀土金属氧化物（RMO）选自由La2O3、Gd2O3和Er2O3组成的氧化物的组。
6.任一前述实施例的装置，其中所述传感层包括金属纳米粒子的超薄膜，所述金属纳米粒子选自由Au、Pd、Ag、Pt、Ru、Au/Pd、Au/Ag、Au/Pt、Au/Ru以及Pd/Ni金属组成的金属纳米粒子的组。
7.任一前述实施例的装置，其中所述传感层包括选自由过渡金属氧化物（TMO）纳米线、稀土金属氧化物（RMO）纳米线以及导电性有机聚合物纳米线组成的纳米线的组中的一种或多种纳米线。
8.任一前述实施例的装置，其中所述硅衬底还包括：耦合于所述源极、漏极和传感层的p型硅顶部的顶层；底部p型硅层；以及设置在所述顶层和所述底层之间的绝缘体层。
9.任一前述实施例的装置，其中所述衬底的所述绝缘体层包括选自二氧化硅或蓝宝石的组的半导体。
10.用于进行化学传感的系统，所述系统包括：（a）CS-FET传感器设备的阵列，各CS-FET设备包括：（i）具有源极和漏极的硅衬底；以及（ii）在所述源极和漏极之间的所述衬底上的化学敏感材料的超薄膜的传感层；（iii）其中所述源极和漏极之间的电流调制通过暴露于至少一种气体所带来的所述传感层的功函数和表面电荷的变化来进行感应；（b）可操作地耦合于所述CS-FET阵列的计算机处理器；以及（c）存储有可在所述计算机处理器上执行的指令的存储器，其中当被所述计算机处理器执行时，所述指令执行包括以下的步骤：（i）获取来自所述阵列的所述CS-FET传感器的传感器数据；（ii）对来自所述阵列的所述CS-FET传感器的传感器数据和阵列传感器数据库进行比较；以及（iii）从所述匹配库传感器数据中识别气体。
11.任一前述实施例的系统，其中各CS-FET设备的所述传感层包括过渡金属氧化物（TMO）的不同的超薄膜。
12.任一前述实施例的系统，其中各CS-FET设备的所述传感层包括金属纳米粒子的超薄膜，所述金属纳米粒子选自由Au、Pd、Ag、Pt、Ru、Au/Pd、Au/Ag、Au/Pt、Au/Ru以及Pd/Ni金属组成的金属纳米粒子的组。
13.任一前述实施例的系统，其中各CS-FET设备的所述传感层包括选自由过渡金属氧化物（TMO）纳米线、稀土金属氧化物（RMO）纳米线以及导电性有机聚合物纳米线组成的纳米线的组中的一种或多种纳米线。
14.任一前述实施例的系统，其中所述CS-FET设备的阵列包括：（a）至少一台具有过渡金属氧化物（TMO）的超薄膜的传感层的CS-FET设备；（b）至少一台具有选自由Au、Pd、Ag、Pt、Ru、Au/Pd、Au/Ag、Au/Pt、Au/Ru以及Pd/Ni金属组成的金属纳米粒子的组的金属纳米粒子的超薄膜的传感层的CS-FET设备；以及（c）至少一台具有选自由过渡金属氧化物（TMO）纳米线、稀土金属氧化物（RMO）纳米线以及导电性有机聚合物纳米线组成的纳米线的组中的一种或多种纳米线的传感层的CS-FET设备。
15.任一前述实施例的系统，其中各CS-FET设备的所述硅衬底还包括：耦合于所述源极、漏极和传感层的p型硅顶部的顶层；底部p型硅层；以及设置在所述顶层和所述底层之间的绝缘体层。
16.任一前述实施例的系统，其中所述阵列包括至少一台二重CS-FET传感器设备。
17.用于气体样品的化学传感的方法，所述方法包括：（a）形成由将多台CS-FET传感器暴露于一种或多种单一气体所产生的传感器轮廓模式库；（b）获取来自于暴露于样品的CS-FET传感器的阵列的传感器轮廓模式；以及（c）将所述获取的传感器轮廓模式与所述传感器轮廓模式库相匹配，从而识别所述样品中的目标气体。
18.任一前述实施例的方法，还包括：形成由将多台CS-FET传感器暴露于已知气体的一种或多种组合所产生的传感器轮廓模式库；以及将所述获取的传感器轮廓模式与各个传感器轮廓模式和阵列传感器轮廓模式的库相匹配，从而识别所述样品中的目标气体。
19.任一前述实施例的方法，其中所述传感器轮廓模式库由将多台CS-FET传感器暴露于在一定浓度和温度范围的一种或多种单一气体所产生。
20.任一前述实施例的方法，其中所述阵列传感器轮廓模式库由将多台CS-FET传感器暴露于在一定浓度和温度范围的一种或多种单一气体和气体组合所产生。
本技术的实施例的描述可以参考方法和系统的流程示意图，和/或算法、公式或其它计算描述，这也可作为计算机程序产品来实施。鉴于此，流程图的每个流程块或步骤，以及流程图中的流程块（和/或步骤）的组合、算法、公式或计算描述可以通过各种手段来实现，比如硬件、固件、和/或以计算机可读程序代码逻辑体现的包括一种或多种计算机程序指令的软件。需要注意的是，任何这样的计算机程序指令可以被下载到计算机上，包括不加限制的一般用途计算机或专用计算机，或其它程序性处理装置来产生机器，从而在计算机或其它程序性处理装置上执行的计算机程序指令形成用于实施流程图的流程块中限定的功能的手段。
因此，流程图的流程块、算法、公式或计算描述支持用于执行所限定的功能的手段的组合、用于执行所限定的功能的步骤的组合、以及用于执行所限定的功能的计算机程序指令，比如以计算机可读程序代码逻辑方法体现。应理解的是：流程示意图的各流程块、算法、公式或计算描述以及在此描述的以上的组合，可以通过执行所限定功能或步骤的基于硬件的专用计算机系统、或专用硬件和计算机可读程序代码逻辑方式来实施。
进一步的，这些计算机程序指令，比如以计算机可读程序代码逻辑体现，还可以被存储于计算机可读存储器中，该存储器指导计算机或其它程序性处理装置以特定方式运行，从而在计算机可读存储器中存储的指令产生包括可实施流程图的流程块中所限定的功能的指令方法的制品。计算机程序指令还可被装载于计算机或其它程序性处理装置上从而产生用于在计算机或其它程序性处理装置上执行的一系列操作步骤，从而产生计算机实施工艺，使得在计算机或其它程序性处理装置上执行的指令提供用于实施流程图的流程块、算法、公式或计算描述所限定的功能的步骤。
还需要注意的是，在此使用的术语“编程”或“可执行程序”是指可被处理器执行的用于实施在此描述的功能的一种或多种指令。该指令可以以软件或固件、或软件或固件的结合来体现。该指令可以被本地存储于非临时性媒介中的设备中，或可以远程储存，比如存储在服务器上，或者指令的全部或部分被本地存储或远程存储。远程存储的指令可以通过用户启动或基于一个或多个因素而自动被下载（推送）到设备。在此使用时还需要注意的是，术语处理器、计算机处理器、中央处理单元（CPU）以及计算机被同义使用，用以指代能够执行指令以及与输入/输出界面和/或外围设备进行通信的设备。
虽然本文的说明包括许多细节，但这些细节不应理解为限制本公开的范围，而只是为本发明的一些优选实施例提供举例说明。因此，应当认识到的是，本公开的范围完全涵盖对本领域的技术人员来说显而易见的其它实施例。
在权利要求书中，除非明确规定，以单数形式提及某要素并非意指“一个且仅一个”，而是指“一个或多个”。本领域的普通技术人员已知的本发明所公开的实施例的要素的所有结构、化学和功能等同形式明确地以引用方式并入本文，并且本发明的权利要求书旨在涵盖这些等同形式。此外，本公开中的要素、组分或方法步骤无意贡献给社会公众，无论这些要素、组分或方法步骤是否在权利要求书明确地叙述。本文的权利要求书所保护的要素不应理解为“方法加功能”要素，除非该要素使用短语“......的方法”明确地叙述。本文的权利要求书保护的要素不应理解为“步骤加功能”要素，除非该要素使用短语“.....的步骤”明确地叙述。

Claims (20)

1.一种化学敏感场效应晶体管CS-FET装置，包括：
(a)具有源极和漏极的硅衬底；以及
(b)在所述源极和漏极之间的所述衬底上的化学敏感材料的超薄膜的传感层；
(c)其中所述源极和漏极之间的电流调制通过暴露于至少一种气体所带来的所述传感层的功函数和表面电荷的变化来进行感应。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感层包括过渡金属氧化物TMO的超薄膜。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述传感层的所述过渡金属氧化物TMO包括电阻性半导体TMO，所述电阻性半导体TMO选自由TiO2、V2O5、MoO3、WO3、Fe2O3、NiO以及它们的低价氧化物组成的组。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述传感层的所述过渡金属氧化物TMO包括绝缘TMO，所述绝缘TMO选自由ZrO2、HfO2、Ta2O5和Y2O3组成的组。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感层包括稀土金属氧化物RMO的超薄膜，所述稀土金属氧化物RMO选自由La2O3、Gd2O3和Er2O3组成的氧化物的组。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感层包括金属纳米粒子的超薄膜，所述金属纳米粒子选自由Au、Pd、Ag、Pt、Ru、Au/Pd、Au/Ag、Au/Pt、Au/Ru以及Pd/Ni金属组成的金属纳米粒子的组。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感层包括选自由过渡金属氧化物TMO纳米线、稀土金属氧化物RMO纳米线以及导电性有机聚合物纳米线组成的纳米线的组中的一种或多种纳米线。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述硅衬底还包括：
耦合于所述源极、漏极和传感层的p型硅顶部的顶层；
底部p型硅层；以及
设置在所述顶层和所述底层之间的绝缘体层。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述衬底的所述绝缘体层包括选自二氧化硅或蓝宝石的组的绝缘体。
10.用于进行化学传感的系统，所述系统包括：
(a)CS-FET传感器设备的阵列，各CS-FET设备包括：
(i)具有源极和漏极的硅衬底；以及
(ii)在所述源极和漏极之间的所述衬底上的化学敏感材料的超薄膜的传感层；
(iii)其中所述源极和漏极之间的电流调制通过暴露于至少一种气体所带来的所述传感层的功函数和表面电荷的变化来进行感应；
(b)可操作地耦合于所述CS-FET阵列的计算机处理器；以及
(c)存储有可在所述计算机处理器上执行的指令的存储器，其中当被所述计算机处理器执行时，所述指令执行包括以下的步骤：
(i)获取来自所述阵列的所述CS-FET传感器的传感器数据；
(ii)对来自所述阵列的所述CS-FET传感器的传感器数据和阵列传感器数据库进行比较；以及
(iii)从所述匹配库传感器数据中识别气体。
11.根据权利要求10所述的系统，其中各CS-FET设备的所述传感层包括过渡金属氧化物TMO的不同的超薄膜。
12.根据权利要求10所述的系统，其中各CS-FET设备的所述传感层包括金属纳米粒子的超薄膜，所述金属纳米粒子选自由Au、Pd、Ag、Pt、Ru、Au/Pd、Au/Ag、Au/Pt、Au/Ru以及Pd/Ni金属组成的金属纳米粒子的组。
13.根据权利要求10所述的系统，其中各CS-FET设备的所述传感层包括选自由过渡金属氧化物TMO纳米线、稀土金属氧化物RMO纳米线以及导电性有机聚合物纳米线组成的纳米线的组中的一种或多种纳米线。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述CS-FET设备的阵列包括：
(a)至少一台具有过渡金属氧化物TMO的超薄膜的传感层的CS-FET设备；
(b)至少一台具有选自由Au、Pd、Ag、Pt、Ru、Au/Pd、Au/Ag、Au/Pt、Au/Ru以及Pd/Ni金属组成的金属纳米粒子的组的金属纳米粒子的超薄膜的传感层的CS-FET设备；以及
(c)至少一台具有选自由过渡金属氧化物TMO纳米线、稀土金属氧化物RMO纳米线以及导电性有机聚合物纳米线组成的纳米线的组中的一种或多种纳米线的传感层的CS-FET设备。
15.根据权利要求10所述的系统，其中各CS-FET设备的所述硅衬底还包括：
耦合于所述源极、漏极和传感层的p型硅顶部的顶层；
底部p型硅层；以及
设置在所述顶层和所述底层之间的绝缘体层。
16.根据权利要求10所述的系统，其中所述阵列包括至少一台二重CS-FET传感器设备。
17.用于气体样品的化学传感的方法，所述方法包括：
(a)形成由将多台CS-FET传感器暴露于一种或多种单一气体所产生的传感器轮廓模式库；
(b)获取来自于暴露于样品的CS-FET传感器的阵列的传感器轮廓模式；以及
(c)将所述获取的传感器轮廓模式与所述传感器轮廓模式库相匹配，从而识别所述样品中的目标气体。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
形成由将多台CS-FET传感器暴露于已知气体的一种或多种组合所产生的传感器轮廓模式库；以及
将所述获取的传感器轮廓模式与各个传感器轮廓模式和阵列传感器轮廓模式的库相匹配，从而识别所述样品中的目标气体。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述传感器轮廓模式库由将多台CS-FET传感器暴露于在一定浓度和温度范围内的一种或多种单一气体所产生。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述阵列传感器轮廓模式库由将多台CS-FET传感器暴露于在一定浓度和温度范围内的一种或多种单一气体和气体组合所产生。
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