CN111103346A - 一种场效应传感器及其检测方法和检测系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种场效应传感器及其检测方法与检测系统。所述场效应传感器包括场效应半导体器件和敏感膜，该场效应半导体器件具有栅极、源极、漏极和沟道，所述敏感膜与场效应半导体器件的栅极接触，用于与被检测物质特异性接触产生电势变化，所述检测方法包括：在第一对电极上施加一恒定电压，其中所述第一对电极分别与所述源极和所述漏极相连；同时检测第一对电极上的电流以及第二对电极上的电压，其中所述第二对电极也分别与所述源极和所述漏极相连；以及根据第二电极上的电压和第一电极上的电流获得被检测物质的检测信号。所述场效应传感器的检测方法利用两对电极，避免了封装过程引入的串联电阻带来的影响，提高了传感器的灵敏度，降低了噪声。

Description

一种场效应传感器及其检测方法和检测系统

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种场效应传感器及其检测方法和检测 系统。

背景技术

场效应半导体器件传感器，典型的例如硅基ISFET(离子选择场效应传感 器)，氮化镓(GaN)基HEMT(高电子迁移率器件)器件等，是通过被传感物质 与敏感膜相接触，改变敏感膜的电势，敏感膜与场效应半导体传感器器件的栅 极连接，从而改变了栅极电势，进而调制器件沟道费米能级，改变沟道电阻的 原理实现传感功能。

传统的场效应传感器100如图1所示，包括场效应半导体器件和敏感膜5， 所述敏感膜5位于场效应半导体器件的栅极表面，敏感膜起到与被检测物质特 异性结合的作用，把被检测物质的种类，浓度等信号转化为栅极表面的电位变 化，从而改变沟道阻抗，把被传感信号转化为电学信号，需要指出的是在某些 实例中敏感膜与栅极表面可以分离，通过金属线将敏感膜电位传导栅极，所述 传统场效应传感器100的检测方法是在半导体器件的源极2和漏极3上分别引 出一个电极16和一个电极17构成一对电极14，并在该对电极上施加一个恒定 的电压，同时检测该对电极上的的电流变化来提取被传感物质的种类和浓度等 信息。

但是场效应半导体器件在实际使用过程中需要使用封装工艺来提高器件可 靠性，然而封装过程会给器件引入一定的串联电阻，尤其是在液体传感器中， 串联电阻不可忽略。传统的检测方法中，封装过程引入的串联电阻会极大降低 传感器的灵敏度并引入噪声，从而降低了传感器的精度(精度＝(3*噪声均方 根)/灵敏度)，对于这个问题，目前的解决手段只能通过差分传感电路、负 反馈信号处理等复杂的技术手段，没有在传感器本身的设计和检测方法上进行 优化和改进，传统的解决方法增加了传感器的复杂度，极大地提高了传感器的 成本，降低传感器的可靠性，而且需要复杂的检测设备配合传感器工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高灵敏度、低噪声的高精度场效应传感器 系统及其检测方法。

根据本发明的实施例提出了一种场效应传感器，包括：场效应半导体器件， 具有栅极、源极和漏极；敏感膜，与场效应半导体器件的栅极接触，用于与被 检测物质特异性接触产生电势变化；第一对电极，包括第一电极和第二电极， 所述第一电极与所述源连接，所述第二电极与所述漏极连接；以及第二对电极， 包括第三电极和第四电极，所述第三电极与所述源极连接，所述第四电极与所 述漏极连接；其中所述被检测物质的检测信号根据第二对电极上的电压和第一 对电极上的电流获得或者根据第二对电极上的电压获得。

根据本发明的实施例提出了一种场效应传感器系统的检测方法，所述场效 应传感器系统包括场效应半导体器件和敏感膜，该场效应半导体器件具有栅极、 源极、漏极和沟道，所述敏感膜与场效应半导体器件的栅极接触，用于与被检 测物质特异性接触产生电势变化，所述检测方法包括：在第一对电极上施加一 恒定电压，其中所述第一对电极分别与所述源极和所述漏极相连；同时检测第 一对电极上的电流以及第二对电极上的电压，其中所述第二对电极也分别与所 述源极和所述漏极相连；以及根据第二电极上的电压和第一电极上的电流获得 被检测物质的检测信号。

根据本发明的实施例还提出了一种场效应传感器系统的检测方法，所述场 效应传感器系统包括场效应半导体器件和敏感膜，该场效应半导体器件具有栅 极、源极、漏极和沟道，所述敏感膜与场效应半导体器件的栅极接触，用于与 被检测物质特异性接触产生电势变化，所述检测方法包括：在第一对电极上施 加一恒定电流，其中所述第一对电极分别与所述源极和所述漏极相连；同时检 测第二对电极上的电压，其中所述第二对电极也分别与所述源极和所述漏极相 连；以及根据所述第二对电极两端的电压或者第二对电极两端的电压与所述恒 定电流的商值获得被检测物质的检测信号。

根据本发明的实施例还提出了一种场效应传感器的检测系统，所述场效应 传感器包括场效应半导体器件、敏感膜第一对电极和第二对电极，该场效应半 导体器件具有栅极、源极、漏极和沟道，所述敏感膜与场效应半导体器件的栅 极接触，用于与被检测物质特异性接触产生电势变化，所述第一对电极的两端 分别与所述源极和漏极连接，所述第二对电极的两端也分别与所述源极和漏极 连接，所述场效应传感器检测系统包括：恒定电压源，施加一恒定电压于第一 对电极两端；以及电压电流检测系统，用于同时检测第一对电极上的电流和第 二对电极上的电压；其中第二对电极上的电压与第一对电极上的电流的商值表 征检测物质的检测信号。

根据本发明的实施例还提出了一种场效应传感器的检测系统，所述场效应 传感器包括场效应半导体器件、敏感膜、第一对电极和第二对电极，该场效应 半导体器件具有栅极、源极和漏极，所述敏感膜与场效应半导体器件的栅极表 面连接，用于与被检测物质特异性结合，所述第一对电极的两端分别与所述源 极和漏极接触，所述第二对电极的两端也分别与所述源极和漏极连接，所述检 测系统包括：恒定电流源，施加一恒定电流于第一对电极上；以及电压检测电 路，用于检测第二对电极上的电压；其中第二对电极上的电压或第二对电极上 的电压和所述恒定电流的商值表征检测物质的检测信号。

根据本发明的实施例，利用两对电极的检测方法避免了封装过程引入的串 联电阻带来的影响，提高了场效应传感器的灵敏度，降低了传感器的噪声，也 就是提高了传感器的精度。

附图说明

图1为根据传统的场效应传感器100的俯视图；

图2-1为根据本发明实施例的场效应传感器200-1的俯视图；

图2-2为根据本发明另一实施例的场效应传感器200-2的俯视图；

图3为根据本发明实施例的场效应传感器300的截面图；

图4为根据本发明实施例的场效应传感器的检测系统400的电路原理图；

图5为根据本发明实施例的场效应传感器的检测系统500的电路原理图；

图6为根据本发明实施例的场效应传感器的检测方法600的流程图；

图7为根据本发明实施例的场效应传感器的检测方法700的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实 施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了便于对本发 明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，本领域普通技术人员可以理解， 这些特定细节并非为实施本发明所必需。此外，在一些实施例中，为了避免混 淆本发明，未对公知的电路、材料或方法做具体描述。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示 例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含 在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在 一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一 实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结 构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当 理解，在此提供的附图均是为了说明的目的，其中相同的附图标记指示相同的 元件。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直 接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接 到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。在说明书或权利要求书 中出现的“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”、“上”、 “下”、“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”或类似的描述，均仅是为 了说明的目的，而非用于描述固定的相对位置。应当理解，以上术语在适当的 情况下是可以互换的，从而使得相应的实施例可以在其它方向上正常工作。此 外，在说明书或权利要求书中出现的“接触”可以是直接接触，也可以是间接 接触，例如通过引线连接接触。

图2-1为根据本发明实施例的场效应传感器200-1的俯视图，所述场效应 传感器包括一场效应半导体器件、敏感膜5、第一对电极241和第二对电极242， 所述场效应半导体器件具有衬底1、栅极、源极2和漏极3，所述敏感膜5与场 效应半导体器件的栅极表面接触，用于与被检测物质特异性接触产生电势变化， 并把电势变化传导到栅极，例如把被检测物质的种类，浓度等信号转化为栅极 表面的电位变化，从而改变沟道阻抗Rch，把被传感信号转化为电学信号，所 述敏感膜可以是例如对于pH敏感的常用敏感膜Ta2O5、对于某种DNA分子特异 性敏感的互补DNA连、对于某种抗原特异性敏感的抗体等，在一个实施例中， 所述敏感膜可以直接覆盖于所述半导体器件的栅极表面与栅极直接接触，也可 以通过引线与半导体器件的栅极连接，与栅极间接接触，所述第一对电极241 包括与源极2连接的第一电极26和与漏极3连接的第二电极27，所述第二对 电极242包括与源极2连接的第三电极28和与漏极3连接的第四电极29，在 一个实施例中，第一对电极241和第二对电极242均为引线电极，其中第一电 极26和第三电极28仅在源极2处可实现电连接，第二电极27和第四电极29 仅在漏极3处可实现电连接；在一个实施例中，所述场效应传感器的被检测环 境可以是PBS(磷酸缓冲盐溶液)、被测气体氛围、被测紫外光环境等,在另一 实施例中，如图2-2所示的本发明实施例的场效应传感器200-2的俯视图，第 一对电极241和第二对电极242均为引线电极，其中第一电极26和第三电极28 为同一块导体，第二电极27和第四电极29为同一块导体。

如图2-1和2-2所示的一个实施例，其中当第一电极两端被施加一恒定电 压时，同一时间的第二对电极上的电压V2与第一对电极上的电流I1的商值代 表场效应半导体器件的沟道电阻Rch，即Rch＝V2/I1，通过所述沟道电阻Rch表 征被检测物质的信号；在另一个实施例中，当第一电极上被施加一恒定电流时， 第二对电极上的电压V2和所述恒定电流I1的商值代表场效应半导体器件的沟 道电阻Rch，即Rch＝V2/I1，通过所述沟道电阻Rch表征被检测物质的信号，也 可以直接通过第二对电极上的电压V2直接表征被检测物质的信号。

图3为根据本发明实施例的场效应传感器300的截面图，所述场效应传感 器300包括场效应半导体器件、敏感膜5、第一对电极241和第二对电极242， 在一个实施例中，所述场效应半导体器件由AlGaN/GaN异质结材料构成，包括 AlGaN阻挡层10、GaN外延层11和衬底层12，在其它实施例中，所述场效应半 导体器件也可以是MOS器件，IGBT器件等其它硅基或者氮化硅基场效应半导体 器件。在一个实施例中，所述衬底层12可以由硅、氮化镓、碳化硅或蓝宝石等 多种材料构成，所述的GaN外延层11和所述的AlGaN阻挡层10可以通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)等方法生长在衬底 12上，所述引线电极241和242通常由电子束蒸发或者等离子溅射的金属构成， 金属可以由钛、铝、镍、金、银、铬、铂、钨或其他一种或多种堆叠而成，厚 度在10nm到100um之间。不同场效应器件之间被隔离区域13隔离开来，隔离 的方法通常有ICP(感应耦合等离子体刻蚀)/RIE(反应离子刻蚀)，氟离子， 氢离子，氮离子注入等；对于液体传感器，通常还会在引线电极上方覆盖一层 保护层14使金属与被测溶液隔离开，只有栅极敏感膜区域与被测物质接触。保 护层通常由绝缘体材料如氧化硅、氮化硅，高分子材料如光刻胶，环氧树脂等 一层或多层构成。

图4为根据本发明实施例的场效应传感器的检测系统400的电路原理图， 所述检测系统包括电压输出电路40和电压电流检测电路41，其中所述电压输 出电路40用于输出一恒定电压V1至第一对电极241的两端，即第一电极26和 第二电极27之间，所述电压电流检测电路41用于同时检测第一对电极241上 的电流I1和第二对电极242上的电压V2，场效应半导体器件的沟道电阻Rch ＝V2/I1，通过所述沟道电阻Rch表征被检测物质的信号。在一个实施例中，电 流输出电路40可以为一个恒压源，电压电流检测电路41包括电压检测电路和 电流检测电路，在一个实施例中，所述电压电流检测电路41可以仅包括四个探 针用以与四个电极连接以读出电压电流数据。

在如图4所示实施例的一个实验中，电流输出电路40为一个直流开关电 源，场效应传感器置于PBS(磷酸缓冲盐溶液)中，电压电流检测电路包括四 个探针和一个电压表和一个电流表，所述探针用于分别将电流表与开关电源和 所述传感器的第一对电极串联连接，将电压表与传感器的第二对电极并联连接， 所述电流表用于读取第一对电极的电流值，所述电压表用于读取第二对电极两 端的电压值，检测目标是溶液的PH值，开关电源输出V1＝1V的恒定电压在第一 对电极241两端，电流表检测第一对电极上的电流I1，电压表检测第二对电极 两端的电压V2，计算沟道电阻Rch＝V2/I1来表征PH值信号。与传统的测试方 法相比较，通过试验结果发现，本发明改进方法作为pH传感器时，相对灵敏度 参数从3％/pH提高到4.6％/pH。表1示出传统技术方案与本发明改进技术方案 的噪声参数对比，实验结果显示，在不同测试环境下通过本发明改进方案传感 器噪声得到了不同水平的抑制。

表1.传统技术方案与本发明改进技术方案的噪声参数对比

图5为根据本发明实施例的场效应传感器的检测系统500的电路原理图， 所述检测系统包括电流输出电路50和电压检测电路51，其中电流输出电路50 用于输出一恒定电流I1到第一对电极241上，所述电压检测电路51用于检测 第二对电极242两端的电压V2，电压V2或者电压V2与恒定电流I1的商值用 来表征被检测物质的检测信号。在一个实施例中，电流输出电路50可以是一个 恒流源，电压检测电路51可以为一个电压表通过两个探针以读出电压数据。

图6为根据本发明实施例的场效应传感器的检测方法600的流程图，所述 场效应传感器包括场效应半导体器件和敏感膜，该场效应半导体器件具有栅极、 源极和漏极，所述敏感膜与场效应半导体器件的栅极接触，用于与被检测物质 特异性接触产生电势变化，所述检测方法600的流程图包括步骤S61～S63。

在步骤S61，在第一对电极上施加一恒定电压。

在步骤S62，同时检测第一对电极上流过的电流以及第二对电极两端的电 压。

在步骤S63，根据第二对电极两端的电压和第一对电极上流过的电流获得 被检测物质的检测信号。在一个实施例中，第二对电极两端的电压和第一对电 极上流过的电流的商值代表场效应半导体器件的沟道电阻，所述沟道电阻表征 被检测物质的检测信号。

图7为根据本发明实施例的场效应传感器的检测方法700的流程图，所述 场效应传感器包括场效应半导体器件和敏感膜，该场效应半导体器件具有栅极、 源极、漏极和沟道，所述敏感膜与场效应半导体器件的栅极接触，用于与被检 测物质特异性接触产生电势变化，所述检测方法700的流程图包括步骤S71～S73。

在步骤S71，在第一对电极上施加一恒定电流。

在步骤S72，检测第二对电极上的电压。

在步骤S73，根据所述第二对电极两端的电压或者第二对电极两端的电压 与所述恒定电流的商值获得被检测物质的检测信号。其中，所述恒定电流即为 流过第一对电极上的电流。在一个实施例中，所述第二对电极两端的电压和所 述恒定电流的商值代表场效应半导体器件的沟道电阻，所述沟道电阻表征被检 测物质的检测信号，在另一个实施例中，也可以直接用第二对电极两端的电压 表征被检测物质的检测信号。

要注意的是，在上述图6-7的流程图中，可以根据所示的不同指令来实施 功能框，例如，两个连续的功能框可以同时被执行。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说 明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱 离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而 应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其 等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种场效应传感器，包括：

场效应半导体器件，具有栅极、源极和漏极；

敏感膜，与场效应半导体器件的栅极接触，用于与被检测物质特异性接触产生电势变化；

第一对电极，包括第一电极和第二电极，所述第一电极与所述源极连接，所述第二电极与所述漏极连接；以及

第二对电极，包括第三电极和第四电极，所述第三电极与所述源极连接，所述第四电极与所述漏极连接；其中

所述被检测物质的检测信号根据第二对电极上的电压和第一对电极上的电流获得或者根据第二对电极上的电压获得。

2.如权利要求1所述的场效应传感器，其中所述第一电极和所述第三电极仅在所述源极处能实现电连接，所述第二电极和所述第四电极仅在所述漏极处能实现电连接。

3.如权利要求1所述的场效应传感器，所述第一对电极和第二对电极均为引线电极，由电子束蒸发或者等离子溅射或电镀的金属构成。

4.如权利要求1所述的场效应传感器，其中当第一对电极两端被施加一恒定电压时，同一时间的第二对电极上的电压与第一对电极上的电流的商值表征被检测物质的检测信号。

5.如权利要求1所述的场效应传感器，其中当第一对电极上被施加一恒定电流时，第二对电极上的电压和所述恒定电流的商值或者第二对电极上的电压表征被检测物质的检测信号。

6.一种场效应传感器的检测方法，所述场效应传感器包括场效应半导体器件和敏感膜，该场效应半导体器件具有栅极、源极、漏极和沟道，所述敏感膜与场效应半导体器件的栅极表面接触，用于与被检测物质特异性接触产生电势变化，所述检测方法包括：

在第一对电极上施加一恒定电压，其中所述第一对电极分别与所述源极和所述漏极相连；

同时检测第一对电极上流过的电流以及第二对电极两端的电压，其中所述第二对电极也分别与所述源极和所述漏极相连；以及

根据第二对电极两端的电压和第一电极上流过的电流获得被检测物质的检测信号。

7.如权利要求6所述的检测方法，根据第二电极上的电压和第一电极上的电流获得被检测物质的检测信号包括：根据第二电极两端的电压和第一电极上流过的电流的商值获得沟道电阻值，所述沟道电阻值表征被检测物质的检测信号。

8.一种场效应传感器的检测方法，所述场效应传感器包括场效应半导体器件和敏感膜，该场效应半导体器件具有栅极、源极、漏极和沟道，所述敏感膜与场效应半导体器件的栅极接触，用于与被检测物质特异性接触产生电势变化，所述检测方法包括：

在第一对电极上施加一恒定电流，其中所述第一对电极分别与所述源极和所述漏极相连；

同时检测第二对电极两端的电压，其中所述第二对电极也分别与所述源极和所述漏极相连；以及

根据所述第二对电极两端的电压或者第二对电极两端的电压与所述恒定电流的商值获得被检测物质的检测信号。

9.如权利要求8所述的检测方法，其中根据所述第二对电极两端的电压和所述恒定电流获得被检测物质的检测信号包括：根据所述第二对电极两端的电压和所述恒定电流的商值获得沟道电阻值，所述沟道电阻值表征被检测物质的检测信号。

10.一种适用于权利要求1至5中任一权利要求所述的场效应传感器的检测系统，包括：

恒定电压源，施加一恒定电压于第一对电极两端；以及

电压电流检测系统，用于同时检测第一对电极上的电流和第二对电极上的电压；其中

第二对电极上的电压与第一对电极上的电流的商值表征检测物质的检测信号。

11.一种适用于权利要求1至5中任一权利要求所述的场效应传感器的检测系统，包括：

恒定电流源，施加一恒定电流于第一对电极上；以及

电压检测电路，用于检测第二对电极上的电压；其中

第二对电极上的电压或第二对电极上的电压和所述恒定电流的商值表征检测物质的检测信号。

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