CN106525921A - 一种电化学检测器及其制造方法和检测目标物质的方法 - Google Patents

一种电化学检测器及其制造方法和检测目标物质的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电化学领域，公开了一种电化学检测器及其制造方法和检测目标物质的方法，所述电化学检测器包括：多个配置在半导体层上的接收器，其中，所述多个接收器设置为和目标物质相互作用以改变所述半导体层的电学特性。采用本发明所述电化学检测器检测目标物质，方便、快捷且成本低。

Description

一种电化学检测器及其制造方法和检测目标物质的方法
技术领域
本发明涉及电化学领域，具体地，涉及一种电化学检测器，该化学检测器的制造方法，以及使用该化学检测器检测目标物质的方法。
背景技术
污染是全世界城市中最严重的健康问题之一。空气或水中的各种污染物或包含物可影响公众的健康。因此，空气和水的质量必须定期检查以保证一些有毒或有害污染物不超过安全水平。
这些污染物的浓度可使用检测试剂确定。传统化学检测方法费时而且不能迅速响应。另外，实验室里的材料检测技术可用来分析目标物质的浓度甚至测试样品的成分。虽然结果可以非常精确和灵敏，但是这些实验室里使用的技术可能不适用于需要迅速而低成本测试结果的日常应用。
发明内容
本发明的目的是为了实现迅速且低成本地检测目标物质，提供一种电化学检测器及其制造方法和检测目标物质的方法。
根据本发明的第一个方面，提供了包括配置于半导体层上的多个接收器的电化学检测器，其中所述多个接收器设置为和目标物质相互作用以改变所述半导体层的电学特性。
在第一个方面的实施例中，所述目标物质为流体目标物。
在第一个方面的实施例中，所述目标物质为气体目标物或液体目标物。
在第一个方面的实施例中，所述多个接收器包括至少一个功能化的接收器。
在第一个方面的实施例中，所述多个接收器设置为通过和所述目标物质形成化学键与所述目标物质相互作用。
在第一个方面的实施例中，所述多个接收器和所述目标物质之间的相互作用是氢键相互作用。
在第一个方面的实施例中，所述多个接收器和所述目标物质相互作用，所述半导体层的电流-电压特性改变。
在第一个方面的实施例中，所述半导体层的电阻改变。
在第一个方面的实施例中，所述半导体层包括有机半导体，高分子半导体，小分子半导体，氧化物基半导体以及硅基半导体中的至少一种。
在第一个方面的实施例中，还包括在所述半导体层下面并且位于配置的所述多个接收器对侧处的基板。
在第一个方面的实施例中，所述基板为柔性基板。
在第一个方面的实施例中，所述基板为聚对苯二酸乙二醇酯基板。
在第一个方面的实施例中，所述基板包括绝缘材料和/或半导体。
在第一个方面的实施例中，所述绝缘材料还包括聚合物，玻璃和陶瓷中的至少一种。
在第一个方面的实施例中，还包括配置于所述半导体上面或其上方的至少两个电极。
在第一个方面的实施例中，所述至少两个电极包括导电材料。
在第一个方面的实施例中，所述半导体层，所述多个接收器以及所述电极基于有机物质和/或金属氧化物。
在第一个方面的实施例中，所述多个接收器形成厚度为10nm到200nm的材料层。
在第一个方面的实施例中，所述半导体层的厚度为10nm到200nm。
在第一个方面的实施例中，所述至少两个电极以范围为大约50μm到1000μm的距离间隔。
根据本发明的第二个方面，提供了制造根据第一方面的电化学检测器的方法，包括如下步骤：
将所述半导体层沉积于基板上；以及
将所述多个接收器沉积于所述半导体层上。
在第二个方面的实施例中，将所述多个接收器沉积于所述半导体层上的所述步骤包括将所述多个接收器溶解在溶剂中和将溶解在溶剂中的所述多个接收器沉积于所述半导体层上的步骤。
在第二个方面的实施例中，将所述多个接收器沉积于所述半导体层上的所述步骤包括在所述半导体层上进行物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)的步骤。
在第二个方面的实施例中，还包括将限定至少一个电极的一层导电材料沉积于所述半导体层上或其上方的步骤。
在第二个方面的实施例中，沉积所述半导体层和/或所述多个接收器和/或所述导电材料层的步骤涉及溶液制程。
在第二个方面的实施例中，所述溶液制程涉及旋涂和/或印刷。
在第二个方面的实施例中，所述印刷的溶液制程还包括移印和/或丝印。
根据本发明的第三个方面，提供检测目标物质的方法，包括如下步骤：
-将根据第一方面所述的电化学检测器暴露于所述目标物质；
-在所述至少两个电极之间应用电压和/或电流偏置；以及
-确定基于暴露于所述目标物质的所述电化学检测器的电流-电压特性检测得到目标物质的总量。
在第三个方面的实施例中，确定基于暴露于所述目标物质的所述电化学检测器的电流-电压特性检测得到目标物质的总量的所述步骤包括确定所述电化学检测器的至少两个电极之间的电阻的变化。
附图说明
现以示例的方式参见如下附图，对本发明的实施例进行描述，其中：
图1是根据本发明一个实施例的电化学检测器的侧视图；
图2是显示制造附图1所示的电化学检测器的工序流程的图解；
图3是附图1所示的电化学检测器暴露于目标物质的图解；
图4是通过使用附图1所示的电化学检测器检测目标物质的图解；以及
图5是显示暴露于目标物质的附图1所示的电化学检测器的响应的曲线图。
具体实施方式
经过发明人自己的研究，试验以及实验，发明人设想到因其在从环境保护到食品质量控制的领域的重要性，气/液相中诸如水中污染物的化学物质的检测特别令人感兴趣。传统的检测方法包括离子迁移谱技术(IMS)及其产品，表面声波(SAW)遥感技术及其产品，基于悬臂的遥感技术，表面增强拉曼散射(SERS)技术，分子印迹聚合物遥感技术等等。但是，这些方法大多数不能作为用于价格低廉并且必须使用一次性传感器的日常应用的好的选择。
基于薄膜的传感器具有高敏感性和选择性，它仅需简单的设备制造工序。另外，薄膜设备可大面积印刷以减少制造成本。
参见附图1，显示的示例实施例的电化学检测器100包括配置在半导体层104上的多个接收器102，其中所述多个检测器102设置为和目标物质106相互作用以改变所述半导体层104的电学特性。
在这个实施例中，所述电化学检测器100包括诸如暴露于测试环境时，设置为和其他化学物质相互作用的化学接收器的接收器102。例如，气体目标物质106可能存在于空气中，这样所述电化学检测器100置于空气中时，所述接收器102在空气中和所述气体目标物质106相互作用。另外，液体目标物质106可被施加到所述电化学检测器100上，这样所述接收器102可所述目标物质106接触并且随后和所述目标物质106相互作用。
优选地，所述接收器102可包括至少一个功能化的接收器或功能组，并且所述接收器102可通过和所述目标物质106进行化学反应和所述目标物质106相互作用，例如和所述目标物质106形成化学键。这种相互作用也可包括所述接收器102和所述目标物质106形成氢键的氢键相互作用。另外，所述接收器102可以其他反应和/或相互作用的形式和所述目标物质106反应和/或相互作用。
所述电化学检测器100也包括半导体层104。所述半导体层104具有在不同条件下允许/阻止电流或电子穿过的独特电学特性。例如，所述半导体可设置为当检测到所述目标物质106时允许电流穿过和/或当所述目标物质106的浓度低于预先设定值时阻止电流穿过。
所述半导体层104包括不同的半导体材料，例如有机半导体，高分子半导体，小分子半导体，氧化物基半导体和/或硅基半导体。可为不同制造工序选择不同的半导体材料，所述半导体材料和所述基板层和/或所述接收器102或其他诸如敏感性，响应时间，检测范围等等的所需性能的其他因素相匹配。
为了促进测量穿过所述半导体层104的电流，所述电化学检测器100可包括配置于所述半导体层104上或其上方的两个电极108。所述电极108可直接沉积于所述半导体层104上且可增强电极-半导体界面接触处的导电性。另外，所述电极108可沉积于在一些元件结构中包括所述多个接收器102的材料上。这些不同的结构可导致不同的电极-半导体接触电阻，因为在所述电极108和所述半导体层104之间的所述接收器层可有效地增强或降低不同层之间的界面处的导电性。
一个或多个电极108可沉积于所述半导体104上或其上方以便测量。所述电极108可包括一个或多个金属接点于所述半导体层104上。另外，所述电极108可包括但不限定于金属，掺杂半导体或导电氧化物等的任何导电材料。
所述电化学检测器100可在如附图1所示的基板110上制造。所述基板110大致位于所述半导体层104之下并且位于配置的所述多个接收器102的另一面。所述基板110可包括其他材料向所述电化学检测器100的整个结构提供额外机械强度的材料组成。例如，这种材料可包括诸如聚合物，玻璃或陶瓷的材料。所述基板100可为诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板的柔性基板110或在一些其他结构中的非柔性基板。在一些示例实施例中，所述基板110是所述半导体层104(例如硅基基板)，其包括支撑所述电化学检测器100的整个结构所必须的刚度以及具有所需要的电学特性的半导体材料。
另外，所有所述电化学检测器100的材料沉积层，包括所述接收器102，所述半导体层104以及所述电极108均基于有机材料，这对仅可低温和/或溶液制程的一些优选的制造工序有利，这样可保持所述制程有较低的复杂度和成本。
参见附图2，所述电化学检测器100的制造可包括四个主要的步骤或工序。首先，在步骤202中，诸如柔性PET材料的基板110根据标准清洗步骤进行清洗。其次，在步骤204中，所述半导体层104沉积于所述基板110上。例如，有机半导体材料可在PET基板上进行旋涂或印刷，然后干燥所沉积的溶液以形成半导体的薄膜。随后，在步骤206中，多个功能化接收器102溶解于溶剂中，例如但不限定于水，丙酮，乙腈、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙酸乙酯、乙二醇、苯、氯仿、四氢呋喃、叔丁基醇、环己烷、氯乙烷、乙醚、乙二醇二乙酯、二甲亚砜或任何其他适合溶解所述多个功能化接收器102的溶剂。随后，所述接收器102以及所述溶剂在所沉积的半导体层104的表面上进行旋涂或印刷。所述溶剂可随后在接下来的干燥步骤中去除，这样形成包括所述接收器102的材料层。
另外，在所述半导体层104上的所述多个接收器102可使用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)而沉积于所述半导体层104上。
在这个实施例中，所述半导体层104的厚度大约为50nm并且所述接收器102的层大约为30nm。这些厚度值在不同设计中有所变化以优化多个参数，诸如任何制程偏移，所述半导体层104和/或所述接收器102层的电阻值，所述电极108和所述半导体之间的接触电阻，当所述接收器102和所述目标物质106相互作用时对半导体层104产生的场效应等等。
最后，在步骤208中，诸如铜金属薄膜或其他导电材料的两个电极108沉积于所述接收器102的表面上。在其它的实施例中，所述接收器102可做成预设图形(patterned)，这样所述电极108可和所述半导体层104直接接触。所述电极108可通过利用旋涂和/或印刷来沉积于所述半导体层104上，做成预设图形的导电材料层。另外，将电极108沉积于所述半导体层104上或其上方时，利用印刷可将所述电极108做成预设图形。
优选地，至少两个所述电极108以大约50μm到100μm的距离而间隔开。这可有效地调整暴露于并且相互作用于所述目标物质106的所述接收器102的区域以及所述半导体和/或位于所述两个电极108之间的所述接收器材料的电阻。这些参数反过来影响所述电化学检测器100的灵敏性和性能。
优选地，整个制造工序基于溶液制程(例如旋涂和/或印刷)，并且每个沉积层基于有机材料。这就使得所述电化学检测器100的制造规模可轻易地扩大，例如在不同印刷技术中利用卷对卷制造工序。这些溶液制程可仅需低温设备并且不涉及任何真空工序，因此可进一步降低所述电化学检测器100的制造成本。
参见附图3到4，示出了使用电化学检测器100检测目标物质106的示例。在这个示例中，电化学检测器100暴露于所述目标物质106。通过在所述两个电极108之间应用电压或电流偏置，可获得所述电化学检测器100在目标物质106的影响下的电流-电压特性。不同数量或浓度的所述目标物质106可基于得到的不同电流-电压特性而被确定。在一些示例中，所述电流-电压特性可由所述两个电极108之间的电阻值而检测，这就意味着检测获得的所述目标物质106的数量由所述电化学检测100的电阻变化而代表。
优选地，所述目标物质106是流体目标物，并且优选地为气体目标物或液体目标物。所述目标物质106可被施加在具有暴露的所述多个接收器102的区域上，例如包含气体的目标物质106可被带到所述接收器102，包含溶液的目标物质106可被施加到和所述接收器102直接接触，或者所述电化学检测器100可置于气体或液体中，包含所述目标物质106的环境中。
如附图3和4所示，所述多个接收器102仅选择性地和所述目标物质106发生相互作用，例如在和所述目标物质106时不会与任何其他物质112形成化学键。因此当所述接收器102和所述目标物质106发生相互作用，接收器102将暂时或永久地与目标物质106形成键。而目标物质106将改变所述接收器102和/或所述接收器102层的电荷状态。结果，于下层的半导体层104的电流-电压特性得以改变，这可能包括所述半导体层104的导电性变化。这变化归因于接收器的相邻层电场和/或所述接收器102的导电性的改变，因此两个电极108之间的半导体层104和/或接收器102的电阻得以改变。通过使用合适的测量仪器，诸如万用表114或半导体参数分析仪，所述电化学检测器100的电学特性应可被确定。
所述电化学检测器的活性层仅包括两层材料是有利的，这样所述结构并且由此所述检测器的制造可保持简单，这提高了所述制造检测器的良品率和性能的稳定性。所述薄膜结构也降低了制造所述电化学检测器所需的材料数量。另外，所述制造仅需低成本的材料和加工技术，这样有利于大规模的制造工序。
作为示例，所述实施例可实施为便携式药物检测器。这可被用作酒精检测器。范围广泛的合适的检测器可包含在所述电化学检测器内，这就使得所述电化学检测器可用来检测范围广泛的目标物质。因为这种检测基于所述功能化接收器和所述目标物质之间的选择性键合相互作用，它可用来检测极低的水平或浓度(低至ppb水平)的目标物质。这也使得所述电化学检测器可用来检测气体泄漏。
例如，2-氨基吡啶N-氧化物(2-aminopyridine N-oxide)可在前述实施例中被选为功能化接收器，这样所述电化学检测器可用做检测克他命(ketamine)(2-(2-氯苯基)-2-(甲胺基)环己醇-1-酮(2-(2-chlorophenyl)-2-(methylamino)cyclohexan-1-one))的药物检测器，因为克他命可通过氢键吸附于2-氨基吡啶N-氧化物。有经验的技术人员可理解根据不同应用选择其他功能化接收器以检测克他命和/或其他目标化学物质。
参见附图5，显示了根据本发明实施例的所述电化学检测器的响应的曲线图。实验装置和附图4所显示的示例相似，在t1处，药物开始加入所述测试环境，随后所加入的所述药物的浓度以每间隔时段增加1-ppb。在t2处，10倍浓度的药物加入到测试环境。所述曲线图显示了在测试环境中的药物浓度和利用所述电化学检测器获得的电阻值之间的合理线性关系。
本领域内的技术人员理解在对具体实施例中显示的本发明进行多样化调整和/或修改，不偏离如描述的本发明的精神或范围。因而这些实施例在所有方面被认为是说明性而非限制性的。
除非另有所指，本文包括的任何对现有技术的参考都不承认所述信息为公知常识。

Claims (25)

1.一种电化学检测器，包括多个配置在半导体层上的接收器，其特征在于，所述多个接收器设置为和目标物质相互作用以改变所述半导体的电学特性。
2.根据权利要求1所述的电化学检测器，其特征在于，所述目标物质为流体目标物。
3.根据权利要求2所述的电化学检测器，其特征在于，所述目标物质气体目标物或液体目标物。
4.根据权利要求1所述的电化学检测器，其特征在于，所述多个接收器包括至少一个功能化接收器。
5.根据权利要求1所述的电化学检测器，其特征在于，所述多个接收器设置为通过和所述目标物质形成化学键和所述目标物质相互作用。
6.根据权利要求5所述的电化学检测器，其特征在于，所述多个接收器和所述目标物质之间的相互作用为氢键相互作用。
7.根据权利要求1所述的电化学检测器，其特征在于，所述多个接收器和所述目标物质相互作用，所述半导体层的电流-电压特性改变。
8.根据权利要求7所述的电化学检测器，其特征在于，所述半导体层的电阻改变。
9.根据权利要求1所述的电化学检测器，其特征在于，所述半导体层包括有机半导体层，高分子半导体，小分子半导体，氧化物基半导体以及硅基半导体中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的电化学检测器，其特征在于，还包括在所述半导体层下面，并且在配置的所述接收器另一面的基板。
11.根据权利要求10所述的电化学检测器，其特征在于，所述基板为柔性基板。
12.根据权利要求10所述的电化学检测器，其特征在于，所述基板包括绝缘材料和/或半导体，以及其中所述绝缘材料还包括聚合物，玻璃和陶瓷中的至少一种。
13.根据权利要求1所述的电化学检测器，其特征在于，还包括配置于所述半导体上面或其上方的至少一个电极。
14.根据权利要求13所述的电化学检测器，其特征在于，所述电极包括导电材料。
15.根据权利要求13所述的电化学检测器，其特征在于，所述半导体层，所述多个接收器以及所述电极基于有机物质和/或金属氧化物。
16.根据权利要求1所述的电化学检测器，其特征在于，所述多个接收器形成厚度为10nm-200nm的材料层。
17.根据权利要求1所述的电化学检测器，其特征在于，所述半导体层的厚度为10nm-200nm。
18.根据权利要求13所述的电化学检测器，其特征在于，所述至少两个电极以范围为大约50μm到1000μm的距离间隔开。
19.一种制造根据权利要求1所述的电化学检测器的方法，包括如下步骤：
-将所述半导体层沉积于基板上；以及
-将所述多个接收器沉积于所述半导体层上。
20.根据权利要求19所述的制造电化学检测器的方法，其特征在于，将所述多个接收器沉积于所述半导体层上的所述步骤包括将所述多个接收器溶解在溶剂中和将溶解在溶剂中的所述多个接收器沉积于所述半导体层上的步骤。
21.根据权利要求19所述的制造电化学检测器的方法，其特征在于，还包括将限定至少一个电极的一层导电材料沉积于所述半导体层上或其上方的步骤。
22.根据权利要求21所述的制造电化学检测器的方法，其特征在于，沉积所述半导体层，所述多个接收器和/或所述导电材料层的步骤涉及溶液制程。
23.根据权利要求22所述的制造电化学检测器的方法，其特征在于，所述溶液制程涉及旋涂或印刷，其中所述印刷的溶液制程还包括移印和/或丝印。
24.一种检测目标物质的方法，包括如下步骤：
-将根据权利要求13所述的电化学检测器暴露于所述目标物质；
-在所述至少两个电极之间应用电压和/或电流偏置；以及
-确定基于暴露于所述目标物质的所述电化学检测器的电流-电压特性检测得到目标物质的总量。
25.根据权利要求24所述的检测目标物质的方法，其特征在于，确定基于暴露于所述目标物质的所述电化学检测器的电流-电压特性检测得到目标物质的总量的所述步骤包括确定所述电化学检测器的至少两个电极之间的阻抗变化。
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