CN106896144A - 光寻址电位感测组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光寻址电位感测组件，包含一导电基板、一金属氧化半导体层以及一感测层，其中该金属氧化半导体层的材料为氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡锌(ITZO)、氧化锡(SnO2)或氧化锌(ZnO)，通过金属氧化半导体层具有宽能带的特性，使得该光寻址电位感测组件不受可见光的干扰，大幅提升了光寻址电位感测组件的稳定性。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种光寻址电位感测组件，尤指一种金属氧化半导体层为氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡锌(ITZO)、氧化锡(SnO2)或氧化锌(ZnO)；感测层为氧化铌(NbxOy)、二氧化铪(HfO2)、氮氧化铪(HfON)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化钛(TiON)、氮化钛(TiN)或氧化钽(Ta2O5)的光寻址电位感测组件。
【背景技术】
光寻址电位传感器是一种利用光点扫描来获得二维影像的浓度变化的传感器，其主结构是以电解液绝缘层半导体(Electrolyte InsulatorSemiconductor,EIS)构成，具有反应时间短及在多离子感测上应用的许多好处，因此常用在生化检测。
利用光寻址电位感测的方式，可用来作为多离子感测和化学影像分析，尤其被运用在化学反应、生化反应等检测上甚是为多；通过光寻址电位的方式，技术人员可通过直觉的图像、光学的方式，得知在反应实时进行时的各种离子浓度变化，进而得知反应发生的进程。
然而，对于光线很敏感的光寻址电位感测组件，其电解液绝缘层半导体(Electrolyte Insulator Semiconductor,EIS)结构很容易受到环境光的影响，导致所量测出来的影像结果不准确，因此必须在暗房中进行检测。
如技术人员有时在未注意暗房是否完善的隔绝外界环境光情况下，容易受到可见光的干扰，进而影响其稳定性以及准确度。
【发明内容】
为解决现有技术所提及的问题，本发明提供了一种光寻址电位感测组件，包含一导电基板、一金属氧化半导体层以及一感测层，其中该导电基板形成于该基板上，该金属氧化半导体层形成于该导电基板上，其材料为氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡锌(ITZO)、氧化锡(SnO2)或氧化锌(ZnO)，而该感测层形成于该金属氧化半导体层上。
【附图说明】
图1是本发明光寻址电位感测组件的结构示意图。
图2是本发明与一般ITO/玻璃的特定波长光线穿透率示意图。
图3是本发明光寻址电位感测组件在不同频率下的C-V曲线图。
图4是本发明NbOx/IGZO与一般Si3N4/SiO2/P-type Si材质的光电压感测比图。
图5是运用本发明的光寻址电位传感器结构示意图。
【具体实施方式】
为能了解本发明的技术特征及实用功效，并可依照说明书的内容来实施，兹进一步以如图式所示的较佳实施例，详细说明如后：
本实施例图式所示的组件厚度、比例是为方便说明而夸饰后的结果，本发明实际组件的比例、厚度当不以此为限。
首先请参照图1，图1是本发明光寻址电位感测组件的结构示意图。如图1所示，本实施例提供了一种光寻址电位感测组件100，包含导电基板101、金属氧化半导体层102以及感测层103，其中金属氧化半导体层102形成于导电基板101上，感测层103形成于金属氧化半导体层102上。
本实施例中，所述导电基板101的材料可为沉积于玻璃、塑料或陶瓷上的氧化铟锡(ITO)、氟掺杂二氧化锡(FTO)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)或聚二氧乙基噻吩(PEDOT)、纳米银线、纳米金属颗粒、纳米碳管(CNT)或石墨烯的群组，其中以沉积于玻璃上的氧化铟锡(ITO)为最佳。
而金属氧化半导体层102可为氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡锌(ITZO)、氧化锡(SnO2)或氧化锌(ZnO)；感测层103则可为氧化铌(NbxOy)、二氧化铪(HfO2)、氮氧化铪(HfON)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化钛(TiON)、氮化钛(TiN)或氧化钽(Ta2O5)，其中金属氧化半导体层102与感测层103的组合又以氧化铟镓锌(IGZO)与氧化铌(NbOx)为最佳。
在本实施例中，首先选用氧化铟锡(ITO)作为导电基板101的材质，并以丙酮和甲醇清洁之，然后于其上沉积金属氧化半导体层102。金属氧化半导体层102的材质在本实施例中选用氧化铟镓锌(IGZO)，其原子比例为In:Ga:Zn:O＝1:1:1:4的99.9％纯原子。
其沉积方式采用射频反应性磁控溅镀(RFreactive magnetron sputtering)，功率设定为200瓦，温度为250℃，并通以氩气：氧气比例为24：1的气体，制成厚度350纳米左右的金属氧化半导体层102，而其厚度可通过偏振仪测量。
接着于金属氧化半导体层102上沉积感测层103。本实施例中，感测层103选用氧化铌(NbxOy)，其沉积的方式先利用纯度99.9％的铌靶材，以功率200瓦溅镀后，再依序通以20气通量单位(sccm)的氩气以及5气通量单位(sccm)的氧气，制成45纳米左右厚度的感测层103。
请参照图2，图2是本发明与一般ITO/玻璃的特定波长光线穿透率示意图。由图2可得知，本实施例相较于单纯的ITO/玻璃导电基板，在金属氧化半导体层102的材质选用氧化铟镓锌(IGZO)的情况下对于光波长介于300-380纳米的紫外光有优良的吸收率(意即穿透率较低)，能有效将紫外光转成光电压；而超过紫外光的部分则大幅的穿透本实施例的金属氧化半导体层102(详见大于380纳米波长的光线)，借由该实验结果可得知，本实施例主要产生光电压的来源为紫外光而非可见光，因此运用本实施例量测时，可大幅避免掉可见光干扰的情形，因大多数的可见光穿透过本实施例的光寻址电位感测组件100，并不会被吸收并转换为光电压。
接着请参照图3，图3是本发明光寻址电位感测组件在不同频率下的C-V曲线图。如图3所示，本实施例的光寻址电位感测组件可在电容-电压测量(C-V measurement)的结果中获得最大10千赫(KHz)的数值。
再请参照图4，图4是本发明NbOx/IGZO与一般Si3N4/SiO2/P-type Si材质的光电压感测比较图。如图4所示，本实施例中感测层103(NbOx)与金属氧化半导体层102(IGZO)的组合，其在紫外光下产生光电压的表现可五倍于传统在红外线下的Si3N4/SiO2/P-type Si感测材质，足见本实施例的结构具有相当的进步性。
最后请参照图5，图5是运用本发明的光寻址电位传感器结构示意图。如图5所示，光寻址传感器200包含感测区域(图5中网点受测溶液与感测层103接触的部分)、参考电极203、作用电极204、发光模块以及处理模块202。
其中感测区域以封装材料104围绕而成，设置于感测层103上。封装材料104可为环氧树脂、硅氧烷树脂、聚二甲基硅氧烷或聚碳酸酯，本实施例中采用的为聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)，但本发明不以此为限；因此当受测溶液(图5中网点部分)注入时，可与感测层103接触；而参考电极203设置于感测区域中，作用电极204则与该光寻址电位感测组件连接。
感测区域用以检测受测溶液(图5中网点部分)的离子或生物物质的浓度，其中离子可为H+、OH-、K+、Na+、Ca2+或Cl-，而生物物质可为蛋白质、脂质、糖、抗原、抗体、核糖核酸(RNA)或脱氧核醣核酸(DNA)，本发明不以此为限。
发光模块用以提供光源照射光寻址电位感测组件100的下表面，包含发光组件205、聚焦组件206及反射组件207，其中聚焦组件206设置于发光组件205与反射组件207之间。而处理模块202分别与发光组件205及反射组件207相连。
其中发光组件205可为发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、雷射二极管(LD)或激发光组件(EL)，其中又以能产生激光束的激发光组件(EL)为佳，而聚焦组件206可为凸透镜，反射组件207则可为微型反射镜，本发明不以此为限。而处理模块202为现场可编辑逻辑门阵列平台(FPGA platform)，其中可依照使用者需求设置或连接各种控制器或模块。
以本实施例而言，处理模块202包含控制器、函数产生器、放大器、滤波器、数据撷取卡以及运算用的计算机或工业计算器，其中控制器与反射组件207连接，该控制器可为微控制器或可程序逻辑控制器，主要通过控制微型马达的方式间接控制反射组件207的运动方向；而函数产生器则与发光组件205连接，用以控制输出光源光线的强度与频率等参数；放大器、滤波器、数据撷取卡以及运算用的计算机或工业计算器则用以接收、运算或储存感测的结果。
本实施例的运作原理主要通过处理模块202，也就是现场可编辑逻辑门阵列平台(FPGA platform)协调各个部位同步进行，发光组件205会依据函数产生器的指令释放出适当的雷射光，经过聚焦组件206收束光线后打到反射组件207上，在同一时间内，处理模块202为同时借由控制器送出适当的运动指令给反射组件207，使其旋转适当的角度反射发光组件205的光线，并打至光寻址电位感测组件100的下表面。
通过浸于受测溶液中的参考电极203以及和光寻址电位感测组件100连接的作用电极204，在对光寻址电位感测组件100施以直流偏压的情况下，当反射组件207反射的光线打在光寻址电位感测组件100的感测层103上时，受测溶液中诸如离子等电解质以及其酸碱值(pH)的变化会导致感测层103表面电位改变，进而产生光电压及光电流的变化；因此，借由量测流过作用电极204与参考电极203间的光电流变化，并将其依序传输给处理模块202中的放大器、滤波器、资料撷取卡以及运算用的计算机或工业计算器，以计算受测溶液其离子浓度以及酸碱值的变化情形。
通过上述原理，每一点被光线打中并测定储存的光电压、光电流变化会以像素(pixel)矩阵的方式以不同颜色组成图像，该图像可依照用户设定反射组件207所反射光线的路径而定，本发明不以此为限。
本实施例通过现场可编辑逻辑门阵列平台(FPGA platform)的技术，实现实时同步发光组件205、反射组件207以及处理模块202处理光寻址感测数据，大大提升了感测的速度以及准确度，同时节省人力整合数据的方式，可自动将数据整合实时同步整合归类。
因此，本发明提供了一种光寻址电位感测组件100及应用其的光寻址电位传感器，除了具有比传统材质的光寻址电位感测组件更优良的光电压、光电流产生效应之外，更具有大幅降低可见光影响其准确度的特性，再配合上同步测量、读写以及储存的完整量测系统，更可大幅减少检测结果以及数据的输出时间和准确度，是谓极具进步性的发明。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，当不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明权利要求及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明涵盖的范围内。
【符号说明】
100 光寻址电位感测组件
101 导电基板
102 金属氧化半导体层
103 感测层
104 封装材料
200 光寻址电位传感器
202 处理模块
203 参考电极
204 作用电极
205 发光组件
206 聚焦组件
207 反射组件
Claims (13)
1.一种光寻址电位感测组件，其特征在于，包含:
一导电基板；
一金属氧化半导体层，形成于该导电基板上，该金属氧化半导体层材料为氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡锌(ITZO)、氧化锡(SnO2)或氧化锌(ZnO)；以及
一感测层，形成于该金属氧化半导体层上。
2.如权利要求1所述的光寻址电位感测组件，其特征在于，该导电基板为沉积于玻璃、陶瓷或塑料上的氧化铟锡(ITO)、氟掺杂二氧化锡(FTO)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)或聚二氧乙基噻吩(PEDOT)。
3.如权利要求1所述的光寻址电位感测组件，其特征在于，该导电基板为沉积于玻璃、陶瓷或塑料上的纳米银线、纳米金属颗粒、纳米碳管(CNT)或石墨烯。
4.如权利要求1所述的光寻址电位感测组件，其特征在于，该感测层为氧化铌(NbOx)、二氧化铪(HfO2)、氮氧化铪(HfON)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化钛(TiON)、氮化钛(TiN)或氧化钽(Ta2O5)。
5.如权利要求1所述的光寻址电位感测组件，其特征在于，该金属氧化半导体层的厚度为350纳米。
6.如权利要求1所述的光寻址电位感测组件，其特征在于，该感测层的厚度为45纳米。
7.一种光寻址电位传感器，包含如权利要求1至6所述的光寻址电位感测组件，其特征在于，该光寻址电位感测组件与一作用电极连接；
一感测区域，以一封装材料围绕而成，设置于该感测层上；
一参考电极，设置于该感测区域中；
一发光模块，用以提供光源照射于该光寻址电位感测组件的下表面，包含一发光组件、一聚焦组件及一反射组件，该聚焦组件设置于该发光组件与该反射组件之间；以及
一处理模块，该处理模块分别与该发光组件、该反射组件、该作用电极以及该参考电极连接。
8.如权利要求7所述的光寻址电位传感器，其特征在于，该发光组件为发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、雷射二极管(LD)或激发光组件(EL)。
9.如权利要求7所述的光寻址电位传感器，其特征在于，该封装材料为环氧树脂、硅氧烷树脂、聚二甲基硅氧烷或聚碳酸酯。
10.如权利要求7所述的光寻址电位传感器，其特征在于，该处理模块为现场可编辑逻辑门阵列平台(FPGA platform)，包含一控制器，与该反射组件连接；以及一函数产生器，与该发光组件连接。
11.如权利要求7所述的光寻址电位传感器，其特征在于，该感测区域用以检测一受测溶液的一离子或一生物物质的浓度。
12.如权利要求11所述的光寻址电位传感器，其特征在于，该生物物质为蛋白质、脂质、糖、抗原、抗体、核糖核酸(RNA)或脱氧核醣核酸(DNA)。
13.如权利要求11所述的光寻址电位传感器，其特征在于，该离子为H+、OH-、K+、Na+、Ca2+或Cl-。
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