CN106461601A - Fed离子探测器及使用其的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种场效应晶体管（FET）离子传感器和使用该离子传感器的系统。本发明的FET离子传感器包括由半导体形成的沟道和设置在沟道顶部的栅极绝缘层，其中离子分子被吸附到沟道的表面，从而允许栅极绝缘层带电使得通道的导电率改变。

Description

FED离子探测器及使用其的系统

【技术领域】

本发明涉及一种FED（Field Effect Transistor，场效应晶体管）离子探测器以及使用其的系统。

【背景技术】

一般来说，离子计可分为两种类型，即抽吸式和接触式。接触式离子计测量由矿物质发射的放射线离子化的负离子，并且通过辐射测量原理（Geiger-Muller tube，盖革-弥勒管）操作。此外，抽吸式离子计通过使用电场的平面电极测量离子的电荷来分析离子的量。

吸入式离子计使用两个不同尺寸的圆柱（或平面型）电极，并且小尺寸的圆柱电极设置在较大的圆柱电极内，形成电容器结构。在此结构中，在两个圆柱形电极之间施加高电压而产生电场，存在于通过圆柱形电极的空气中的离子由于沿着电场方向在电极上吸引和聚集的电荷产生的电压差而放大精细电流信号，从而探测离子的量。

圆柱形电极的远端设置有吸入装置，例如吸入空气的风扇，以通过恒定地保持吸入所述圆柱电极的空气流来确定流速，并且存在于每单位空气体积中的离子可以通过分析流速和离子电荷的累积产生的微小电流信号两者来计算。然而，该方法可能由于当离子浓度高时相对精确的事实而具有缺点，但是当离子浓度低时，由于难以从噪声信号识别，其精度降低。

同时，另一种方法可以是基于FET（场效应晶体管）的离子价探测器，其利用充电的天线电极。其中，一个电阻连接到地，施加到该电阻的电压被称为栅极电压。该方法是通过响应天线电极的电荷而穿过电阻流向地的微小电流而产生的电压来操作FET元件的电流变化来测量充入天线电极的离子的极性和数量。这种类型的方法可以通过简单的电路配置来探测空气中的离子极性和大量的离子，但是可能存在如下缺点：当带电粒子物质的电荷不被传输到天线金属电极时（由于在电极上形成的薄薄的无机材料的绝缘体），不会产生流向地的电流，因为由于电阻器两端的电压增加而导致的连接故障，难以实现高灵敏度的探测器。

【发明内容】

提出本发明以解决上述缺点，因此，本发明的示例性实施例提供一种FET离子探测器，其被配置为通过简单且精确的方法测量空气中的阴离子（负离子），以及 一种使用该系统的系统。

为了至少实现上述目的，全部或部分并且根据本公开的目的，如具体实施和广泛描述的，并且在一个一般方面，提供了一种FET离子探测器，所述探测器由FET形成，所述FET包括由半导体形成的沟道和布置在所述沟道的上表面处的栅极绝缘层，其中所述栅极绝缘层被吸附到沟道的表面的离子分子充电，以改变沟道的电导率。

优选地，但不是必须地，离子分子和极性的量中的至少一个可以通过沟道的电导率的变化来估计。

在本发明的另一个一般方面，提供了一种FET离子探测器，所述检测器包括：

在衬底的上表面处由半导体形成的沟道；

布置在所述沟道的上表面处的栅极绝缘层；和

布置在所述栅极绝缘层的上表面处的浮栅电极。

优选地，但不是必须地，浮栅电极可以响应供给衬底的栅极电压的扫描，而提供在沟道中流动的漏-源电流的滞后特性。

优选地，但不是必须地，可以通过响应衬底栅极电压利用漏-源电流的滞后特性将衬底栅极电压从预定的第一电压改变为预定的第二电压来进入准备状态。

优选地，但不是必须地，阴离子的移动痕迹（轨迹）可以通过控制所述第二电压来调节。

优选地，但不是必须地，栅极绝缘层可以被吸收到沟道表面的离子分子充电，以改变沟道的电导率，由此通过漏源电流的变化来确定离子的量和极性。

优选地，但不是必须地，FET离子探测器可进一步地包括通过布置在浮栅电极的外围而形成于所述栅极绝缘层的上表面处的控制电极。

在本发明的又一个一般方面，提供了一种FET离子探测器，所述检测器包括：

在衬底的上表面处由半导体形成的沟道；

布置在所述沟道的上表面处的栅极绝缘层； 和

布置在所述栅极绝缘层的上表面处的有机/无机膜层。

优选地，但不是必须地，所述有机/无机膜层可以由光催化材料形成。

在本发明的又一个一般方面，提供了一种阴离子探测器系统，所述系统包括：

所述FET离子探测器；

风扇，被配置为将包含阴离子的空气吸入所述FET离子探测器；和

设置在所述FET离子探测器的前端以暴露或中断引入到所述FET离子探测器的所述阴离子的中断器。

优选地，但不是必须地，所述中断器可以包括被配置为中断所述FET离子探测器的截止阀，以及被配置为使所述截止阀旋转的驱动单元。

优选地，但不是必须地，所述截止阀可以由金属或易电介质物质形成。

优选地，但不是必须地，所述阴离子探测器系统可进一步包括风扇，该风扇被配置为将包含阴离子的空气吸入所述FET离子探测器。

本发明的有益效果在于，阴离子探测器系统可以简单地实现，因为通过在FET的沟道表面上的带电空气颗粒的电气化而引起的场效应而被操作。

另一个有益效果是通过使用FET可以使所述阴离子探测器系统小型化，由此被当做指示器的阴离子探测器能够容易地被配置，以通知大气中的空气质量，室内的空气的质量以及推荐量的阴离子是否被产生于生活空间中。

【附图说明】

图1是描述根据本发明的示例性实施例的FET离子探测器的示意图。

图2a是描述图1的FET离子探测器的示意图，图2b是描述图1的FET离子探测器的示意图，还进一步包括根据本发明的示例性实施例的保护膜，图2c是描述实际应用状态的示意图。

图3是描述根据本发明的示例性实施例的FET上的空气中的阴离子的量与栅极绝缘层的表面的负电荷的吸收量之间的关系的示例性示意图。

图4是描述根据本发明的FET沟道的滞后特性的示例性视图。

图5a和5b是描述本发明的操作的示例性视图。

图6是描述根据本发明的另一示例性实施例的FET离子探测器的示意图。

图7是描述根据本发明的又一示例性实施例的FET离子探测器的平面图。

图8a和8b是描述根据本发明的示例性实施例的阴离子探测器系统的示意图。

图9a和9b是示出根据本发明另一示例性实施例的中断器的结构的示意图。

【具体实施例】

本发明可以应用各种变化，并且可以包括各种示例性实施例，并且特定示例性实施例将通过附图示例并在具体实施方式中解释。然而，本发明将不限于特定示例性实施例，并且所描述的方面旨在包括落入本发明的范围和新颖构思内的所有这样的改变、修改和变化。

在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。

图1描述根据本发明示例性实施例的FET离子探测器的示意图，其示出了本发明的离子探测器1的侧视结构。

根据本发明的FET离子探测器可以形成在纳米结构中。此外，图2a描述了图1的FET离子探测器的示意图，图2b描述了图1的FET离子探测器的示意图，还进一步包括根据本发明的示例性实施例的保护膜，图2c是示出实际应用状态的示意图。

如图所示，根据本发明的示例性实施例的FET离子探测器1可以包括设置在衬底10上的电介质层11，在电介质层11的上表面处的FET沟道12，设置在沟道12远端处的源极13，基于所述沟道12以与所述源极13对称的结构形成在所述沟道12的另一端的漏极14，形成在沟道12的上表面处的栅极绝缘层15和浮栅电极16。

如图2a中，对应于沟道12，源极13，漏极14，栅极绝缘层15和浮栅电极16的传感器元件被定义为“S”，其被示意性的示出。如图所示，该配置使得传感器元件S被设置在衬底栅极10和电介质层11上。

同时，如图2b所示，根据本发明的FET离子探测器1还可进一步包括设置在传感器元件S的一部分和电介质层11的背景区域的上表面上的保护膜17。

沟道12，栅极绝缘层15，源极13和漏极14可形成于FET结构中，栅极绝缘层15可以由SiO2形成。 然而，本发明不限于此。

衬底电介质层11用于提高阴离子的可探测性，执行将衬底与传感沟道隔离的功能，以便控制或复位FET沟道的操作偏置电压，来响应衬底10的Vg偏置电压，并且可以是由例如SiO2构成的薄膜，然而其不限于此，并且可以在能够执行绝缘功能的薄膜的衬底上形成，以允许制造FET元件。

在本发明的示例性实施例中，浮栅电极16可以形成在栅极绝缘层15的上表面以形成传感区域。

FET的传感区域由如上述构造的半导体沟道12构成，并且半导体沟道12的表面可以设置栅极绝缘层15被配置为响应于离子具有的电荷而大大地传输静电力。当离子分子被吸收（吸入）到沟道12的表面时，吸收的栅极绝缘层15被充电以增加栅极绝缘层15的电荷量与离子分子的浓度成比例， 并且反过来增加表面上的电荷量，从而极大地产生对半导体沟道12的场效应。 结果，沟道12的电导率（电阻）被改变，从而离子分子的量可以被分析，现在将参考附图解释其细节。

图3是描述根据本发明示例性实施例的栅极绝缘层15的表面具有p型沟道的FET上的空气中的阴离子的量与负电荷的吸收量之间的关系的示例性视图， 其描述了当FET离子探测器1周围的分子量增加以吸收栅极绝缘层15的上表面处的阴离子时，流向沟道12的漏源电流（Ids）的变化。

当没有阴离子时，栅极绝缘层15保持没有充电和放电的平衡，并且当阴离子电荷开始时，Ids逐渐增加以显示小斜率上升曲线，如图中的A。 然而，当阴离子分子的量增加以允许阴离子在沟道12的表面上带电时，Ids突然增加以显示大的斜坡上升曲线，如图3的B。因此，可以确定，通过图3的A和B，离子探测器1的阴离子的量响应于电流变化曲线的斜率（Ids变化）而增加。

此外，当通过充分前进的阴离子分子的吸收而累积的阴离子吸收量和放电量保持平衡时，Ids显示饱和曲线，如图3的C。并且当栅极表面上的电荷量由于放电或漏电流的原因而减少超过阴离子吸收时，Ids示出了如图3的D所示的下降曲线。

还可以注意到，当阴离子分子的量减少时，Ids逐渐减小，但是保持平衡状态，因为沟道12的表面上的电荷逐渐放电，然而，由于残留的带电电荷，不能达到与初始Ids相同的状态。

根据本发明的FET离子探测器1在栅极绝缘膜或浮栅电极上利用阴离子充电和放电特性，以便向沟道12提供场效应，因此，本发明的示例性实施例中的结构为浮栅电极16设置在栅极绝缘层15的上端。 因此，当吸附在沟道12的上表面处的传感区域表面上的阴离子的电荷量增加时，可以通过由浮栅电极16的电荷的总量引起的电位，使用Ids中的变化来检测阴离子 16。

因此，根据本发明的示例性实施例的沟道12可以通过如上所述的浮栅电极16具有滞后特性。

图4描述根据本发明的FET沟道的滞后特性的示例性视图。

如图4所示，Ids表示响应于衬底栅极电压Vg的扫描的滞后特性。 因此，可以通过固定衬底10的栅极电压Vg，以及监测Ids对阴离子强度的响应来探测阴离子的量。

图5a和5b是说明本发明的操作的示例性视图，其中以这样的方式进行实验：当衬底10的栅极电压Vg维持在-20-30V之后降低到0电压时，浮栅电极的负电荷被移除和复位，并且当栅极电压改变时，例如当改变为0V（图5a）或-5V（图5b）以允许阈值电压或特定的Ids电压（如果在Ids=1nA或2nA下进行测量，Vg被设定为）适合于测量，通过复位来初始化FET离子探测器1，当在该状态下产生阴离子时，FET离子探测器1的反应与阴离子实验相关。

即，进行实验，其中，当在200s Vg = -20V，并且在250s Vg变为0或-5V以初始化（恢复到Ids = 1nA 值）探测器时，阴离子发生器（未示出） 在350s开启以测量阴离子的反应。 为了测量对阴离子强度的反应，通过将根据本发明的FET离子探测器1和阴离子发生器（未示出）之间的距离从10cm调节到50cm来进行测量。

如图所示，可以注意到，由于长距离，阴离子达到的时间显示在探测器的反应信号上，并且Ids的斜率取决于良好地反应离子强度（距离）的时间和振幅。

图6是示出根据本发明的另一示例性实施例的FET离子探测器的示意图。

如图6所示，根据本发明另一示例性实施例的FET离子探测器2在基本结构方面与图1中的FET离子探测器1相同。并且可以包括有机/无机膜层17来代替浮栅电极6。

有机/无机膜层17可以具有小于几个mm至几个μm的厚度，以便当在沟道12的表面上具有阴离子的颗粒带电时，允许通过电荷的静电力容易地到达沟道12。此外，有机/无机膜层17可以包括导电材料，以便有效地排出通过吸收负阴离子电荷而充电的栅极绝缘层15的上表面处的积聚的电荷，并且快速将FET离子探测器2恢复到初始状态，而没有任何额外的放电。

例如，当使用诸如TiO2的光催化材料时，在使用离子探测器期间吸收到传感器的表面中的有机材料可以利用用于恢复初始状态的UV照射通过光催化材料的容氧化-还原反应容易的从空气中去除，探测器可以通过较低的沟道和衬底栅极的电压控制来初始化。

除了有机/无机膜层17之外的结构与之前的描述相同，因此不再赘述。

图7是示出根据本发明的又一示例性实施例的FET离子探测器的俯视平面图。

根据本发明的另一示例性实施例的FET离子探测器除了图1的结构之外还可以包括控制电极70。 从而将省略对图1中的其他元件的进一步详细说明。

根据本发明的控制电极70可以形成在与浮栅电极相同的衬底的上层处，可以采用与浮栅电极16相同的工艺形成，并且可以被布置在传感区域的外围以有效地移除带电离子。

控制电极70可以在探测器3的操作期间施加与衬底栅极电压相同的电压，可以浮置和接地，并且当复位探测器3时，可以在传感区域位于远离衬底栅极的功能的上方相邻位置处提供复位功能。此外，控制电极70可以在衬底的背景区域11和传感区域之间施加形成电场的电压，由此也可以引发朝向传感区域的离子移动。

图8a和8b描述根据本发明示例性实施例的阴离子探测系统的示意图。

参照图8a和8b，根据本发明示例性实施例的阴离子探测器系统可以包括阴离子产生单元3，中断器4，FET离子探测器1和风扇5。 然而，应当清楚，尽管图1的示例性实施例中设有FET离子探测器1，也可以设置图6中的FET离子探测器2和图7中的FET离子探测器3。根据本发明的阴离子探测器系统可以包括在预定壳体（未示出）内部，并且相关壳体可以设置在需要感测阴离子的位置。

如上所述，FET离子探测器1包括浮栅电极16，可以使用相对于衬底10的栅极电压的滞后特性来复位。 此时，FET离子探测器1可以响应阴离子的量而开启。

本发明可以包括阴离子产生单元3，阴离子产生单元3还可以用于检查是否正在执行探测测器的操作或被用于校准，如果需要。

本发明可以使用中断器4中断或暴露，由外部大气阴离子至FET离子探测器1之上的引入。

中断器4可以包括驱动单元41和截止阀42，其中截止阀打开/关闭驱动单元41，并且当截止阀42如图8a所示布置时，由阴离子发生单元3引入的阴离子被阻止引入至FET离子探测器1，并且当截止阀42如图 8b所示布置时，阴离子可被引入至FET离子探测器1。中断器4的截止阀42可以是被配置为调节接地的金属板，并且可以由诸如丙烯酸的电介质材料形成以便于充电，但是本发明不限于此。

风扇5可以将包括阴离子的大气吸入探测器中。 也就是说，包括阴离子的大气可以通过风扇5的循环，向图8a和图8b中的箭头方向移动。

阴离子发生单元3用于产生阴离子，并且可以产生用于校准的阴离子。 阴离子发生单元3可以设置在由风扇5形成的流道的远端，并且可以通过允许用于校准发射的阴离子被引入FET离子探测器1来检测阴离子。 然而，这种构造是可选的，因此，可以不包括阴离子产生单元3。

此外，本发明还可以包括光源，以便通过光催化作用除去吸附到探测器表面的空气中的吸附物。

根据本发明的FET离子探测器1被配置为，考虑栅极电压的扫描滞后特性来设置其最大值（Vg 高，例如Vg = -30V），然后，在Vg减小为Vg = 0V之后，栅极电压Vg利用Ids =1nA时的预定Vg值来调整。 此时，考虑到FET离子探测器1的复位和灵敏度，栅极电压Vg可以设为Ids大约为1nA时的值（或者如果需要，Ids =几 nA 时的Vg值），由此，FET离子探测器1变为处于准备状态。

或者，此时，Vg可以降低阈值电压，或者也可以按照在衬底的背景区域和传感区域上形成电场的方式进行控制，以允许接近探测器的离子在传感区域上以更大数量或更少数量进入。也就是说，除了设置阈值量之外，Vg电压可以通过在沟道电位上可控地增加或减少衬底电位来执行形成控制离子到探测器侧或其它方向的移动轨迹（轨迹）的电场的功能。

也就是说，例如，当Vg = 0V时，由于在背景区域和传感区域上没有形成电场，因此接近FET的离子可以被吸收，同时形成直线迹线，但是当Vg是-10V时，由于在衬底的背景区域和传感区域上形成电场，阴离子可以朝向探测器区域侧移动，同时形成预定迹线。 此外，相反，当Vg为10V时，阴离子可以移动到与传感区域相反的方向，同时形成预定的迹线。 然而，这是示例性描述，并且本发明不限于此，可以允许通过施加各种电平的电压来或多或少地将阴离子吸收到传感区域。

之后，中断器4的截止阀42被操作以将阴离子引入FET离子探测器1，从而允许观察与阴离子相关的Ids的变化，并且使用Ids的斜率和振幅测量阴离子的强度。此时，可以通过控制器（未示出）使用校准数据进行定量确定，并且还可以执行定性确定。

当阴离子的测量完成时，可以再次扫描Vg以复位探测器。

同时，根据本发明的中断器4不限于图8a和图8b2所示的结构。也就是说，可以通过各种不同的方法打开/关闭中断器4，以中断或允许引入传送到FET离子探测器1的离子。

图9a和9b为示出根据本发明的另一示例性实施例的中断器的结构的示意图，它们仅示出相对于图8a和图8b的中断器的结构变化，省略了其它结构。 此外，图9a示出了中断器4的打开状态， 图9b示出了中断器4的关闭状态。

如图9a和9b所示，可以注意到，截止阀42在探测器1的前部打开/关闭。 然而，应当显而易见的是，本发明不限于此，并且各种其他示例性实施例可以应用于中断器。

虽然根据现有技术的离子计数器需要用于形成电场的两个平面型结构的电极，电流放大装置和空气吸取装置，根据本发明的系统可以通过在由使用带电空气颗粒使沟道表面带电而引起的场效应下操作来实现简单的阴离子测量系统。

此外，本发明的优点在于，FET被用于使阴离子测量系统小型化，并且可以容易地配置指示器阴离子传感器，通知大气中的空气质量，室内空气质量以及是否生成针对生活空间推荐的阴离子。

如前所述，虽然已经描述了本发明的示例性实施例，但是上述示例性实施例旨在是说明性的，而不是限制权利要求的范围。 许多替代，修改，变化和等同物对于本领域技术人员将是显而易见的。 因此，本发明的权利的技术范围应受到以下所附权利要求及其等同物的保护。

Claims (14)

1.一种FET离子探测器，所述探测器由FET形成，所述FET包括由半导体形成的沟道和布置在所述沟道的上表面处的栅极绝缘层，其特征在于：所述栅极绝缘层由被吸收到沟道表面的离子分子充电，以改变所述沟道的电导率。

2.根据权利要求1所述的FET离子探测器，其特征在于：通过所述沟道的电导率的变化来估计离子分子的量和极性中的至少一个。

3.一种FET离子探测器，所述探测器包括：

在衬底的上表面上由半导体形成的沟道；

布置在所述沟道的上表面处的栅极绝缘层； 和

布置在栅极绝缘层的上表面处的浮栅电极。

4.根据权利要求3所述的FET离子探测器，其特征在于：所述浮栅电极响应供给衬底的栅极电压（衬底栅极电压）的扫描，而提供在沟道中流动的漏-源电流的滞后特性。

5.根据权利要求4所述的FET离子探测器，其特征在于：通过响应衬底栅极电压利用漏-源电流的所述滞后特性将衬底栅极电压从预定的第一电压改变为预定的第二电压来进入准备状态。

6.根据权利要求5所述的FET离子探测器，其特征在于：阴离子的移动痕迹（轨迹）可以通过控制所述第二电压来调节。

7.根据权利要求3所述的FET离子探测器，其特征在于：栅极绝缘层被吸收到沟道表面的离子分子充电，以改变沟道的电导率，由此，通过漏源电流的变化来确定离子的量和极性。

8.根据权利要求3所述的FET离子探测器，其特征在于：FET离子探测器进一步地包括通过布置在浮栅电极的外围而形成于所述栅极绝缘层的上表面处的控制电极。

9.一种FET离子探测器，所述探测器包括：

在衬底的上表面处由半导体形成的沟道；

布置在所述沟道的上表面处的栅极绝缘层；和

布置在所述栅极绝缘层的上表面处的有机/无机膜层。

10.根据权利要求9所述的FET离子探测器，其特征在于：所述有机/无机膜层由光催化材料形成。

11.一种阴离子探测器系统，所述系统包括：

根据权利要求3-10中任一项所述的FET离子探测器；和

切断单元，布置在FET离子探测器的前端以暴露或中断引入到FET离子探测器的阴离子。

12.根据权利要求11所述的阴离子探测器系统，其特征在于：中断器包括被配置为中断所述FET离子探测器的截止阀，以及被配置为打开/关闭所述截止阀的驱动单元。

13.根据权利要求12所述的阴离子探测器系统，其特征在于：所述截止阀由金属或易电介质物质形成。

14.根据权利要求11所述的阴离子探测器系统，其特征在于：所述阴离子探测器系统还包括风扇，所述风扇被配置为将包含所述阴离子的空气吸入所述FET离子探测器。