CN1156818A - 薄膜晶体管生物化学传感器 - Google Patents
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Abstract
一种化学传感器,它包含一个薄膜晶体管,该晶体管带有一个位于一侧的栅极。隔离层位于相对侧而指示膜位于隔离层上,通常正对着栅。由生物或化学物质在指示膜中引起的感生电荷改变了晶体管中的沟道电流。然后用栅上的电位来消除得到的沟道电流的改变。用来消除电流改变的这一电位是感生电荷的一种极为灵敏的度量。
Description
本发明涉及传感器,确切涉及生物化学传感器。
当前,对传感器特别是能检测生物和/或化学物质的传感器的需求正与日俱增。目前能执行这类功能的传感器都比较难以制造,因而也比较昂贵。
大多数已知的传感器都采用具有电阻之类的变化特性的材料。传感器则须组合到可利用(读出)这种改变特性的电路中。例如,可将材料薄膜组合到惠斯登电桥式的设备中以读出液态或气态化学物引起的电阻改变。问题是为了使传感器的灵敏度达到实用的范围,一般都要求某种形式的放大。
鉴此,提供一种制造成本较低的极灵敏的传感器是极为有利的。
为此,本发明的一个目的是提供一种新的改进了的生物化学传感器。
本发明的另一目的是提供一种制造成本较低的新的改进了的生物化学传感器。
本发明的又一目的是提供一种极为灵敏的新的改进了的生物化学传感器。
本发明的再一目的是提供一种可靠性业已提高且大大放宽了封装限制的新的改进了的生物化学传感器。
本发明还有一个目的是提供一种可容易地清除被检测的生物或化学物质的新的改进了的生物化学传感器。
本发明再有一个目的是提供一种可容易地适用于检测各种各样生物和化学物质、光或运动的新的改进了的传感器。
本发明又有一个目的是提供一种可容易地组合各种补偿技术以扣除在传感器中发生的自然改变的新的改进了的传感器。
上述的问题和上述的目的可在包含一个其栅极位于一侧而指示膜位于相反侧(通常正对着栅极)的隔离层上的薄膜晶体管的化学传感器中,至少部分地解决了和实现了。在指示膜中由生物或化学物质引起的感生电荷或电荷位移,使晶体管中的沟道电流发生改变。然后用栅极电位使得到的沟道电流变化消除。用来消除电流变化的这个电位是感生电荷的极为灵敏的度量。
在另一实施例中,指示膜是一个光敏薄膜,其中由光来感应或位移电荷。利用对光信号具有微分响应的生物材料细菌视紫红(bac-teriohodopsin)作为指示器膜,提供了一种运动传感器。
图1是根据本发明的一个生物化学传感器实施例的简化剖面图;
图2是根据本发明的另一个生物化学传感器实施例的简化剖面图。
现参照附图。图1是根据本发明的生物化学传感器10的一个实施例的简化剖面图。传感器10包含一个薄膜晶体管15,其一侧上有一个隔离栅16。指示膜17位于晶体管15的相反侧上,通常正对着栅16。在栅16的相对二侧制作源端18和漏端19作为晶体管15的一部分,而其间的半导体层20形成电流沟道25。栅16和指示膜17也位于半导体层20的相对二侧。
在图1所示的实施例中,提供了一个支持衬底26,并在支持衬底26的表面27上将导电材料层图形化以确定栅16。支持衬底26可以是任何一种方便的材料,在本实施例中是一个玻璃板。应该了解,为了现要描述的目的,栅16一般带有外部连接(为方便起见,图1中未示出此外部连接)。此外部连接可在栅16图形化的同时制作,而且通常延伸到支持衬底26的可达区。
在栅16上沉积一个隔离层28,它可以是氮化硅(SiNx)之类的任何一种方便的材料。在隔离层28上二个分隔开的区域32和33中沉积一个导电材料31。分隔开的区域32和33横向分开且位于栅16的相对二侧并确定源端18和漏端19的位置。在区域32和33中的导电材料31上沉积半导体材料35,并在半导体材料35和隔离层28上沉积半导体层20以形成电流沟道25。对导电材料31和半导体材料35要加以选择,以便在各个源端18和漏端19处同半导体层20形成欧姆接触。
通常,薄膜晶体管15可用任何一种熟知的材料体系来制作,诸如氢化非晶硅(a-Si:H)、非晶硅(a-Si)、多晶硅、硒化镉(CdSe)、有机半导体等。在一个具体的例子中,半导体层20由氢化非晶硅制作,而半导体材料35由掺杂的氢化非晶硅制作以提供良好的N+型导电。隔离层28由任何可兼容材料制作,在本具体例子中是氮化硅(SiNx)。导电材料31和栅16可以是任何一种方便的金属或其它方便的导电材料。
半导体层20上确定了一个通常在栅16上方的外表面40。表面40示作半导体层20上表面中的一个稍许凹下区,但应了解,在某些具体实施例中,此上表面也可以是平坦的。通常,本领域技术人员理解,表面40和隔离层28之间的距离选择成使晶体管15能恰当地工作。在半导层20共形沉积的情况下,表面40和隔离层28之间的距离由半导层20的厚度决定,而且上表面通常如图1所示。
在半导层20的上表面上,特别是在表面40上,沉积一个隔离层42。隔离层42可以是一个生长在半导层20表面上的二氧化硅层,也可以由同隔离层28相同的材料或其它任何方便的绝缘材料构成。在本公开中,“沉积“一词假定为包括任何一种熟知的在一层材料上提供另一层材料的方法。然后在隔离层42的表面40上沉积指示膜17。指示膜17可以是例如一种生物化学材料,例如诸如铑基在材料的有机金属络合物或各种对生物物质极为灵敏的抗体。在其它的结构中,指示膜也可以是一个光敏层,包括有机或无机光电二极管材料。而且,采用对光信号具有时间微分响应的嗜盐细菌细菌视紫红(halobacteria bacteriohodopsin),可以容易地制作运动探测器。
在传感器10的某些应用中,待检测的材料或物质借助于吸收、电吸引、化学键合或其它现象(依赖于薄膜17和所检测的材料)而被附着在指示膜17上,在指示膜17中感生一个电荷或电荷位移。在传感器10用作光电晶体管的情况下,指示膜17对照射于其上的光的出现很灵敏,这就在其中感生电荷。由于指示膜17邻近于沟道25,故其工作相似于晶体管15的栅或控制端。于是,在指示膜17中的感生电荷或电荷位移就引起通过沟道25的电流的改变。然后用栅16上的电位来消除流过沟道25的电流的改变。栅16上的电位可被校准即用作被检测材料或物质的极为灵敏的指示和度量。
除了在测量和指示过程中采用栅17外,栅17还使传感器基线得以稳定。通常,薄膜晶体管对阈值电压漂移(在良好的器件中可达约1-2V)很敏感,使基线产生漂移。传感器10可容易地适用于以几种方式来克服这种基线漂移。例如,可周期性地将指示膜17暴露于“清洁环境”中并调整栅17上的电位以消除任何沟道电流。在另一例子中,提供了一个传感器10的微分对,其一个传感器的指示膜被钝化。因二个传感器10中的基线漂移几乎是相同的,故参考传感器10(钝化指示膜17)的信号可用来补偿其它传感器10中的任何改变。
在某些应用中(通常依赖于被检测的材料和指示膜17),借助于对栅16加一相当大的电位,可清洗即更新传感器10。此大电位的电荷应用被检测材料上的任一纯电荷相同,而且通常大于此电荷,以便从指示膜17驱除被检测的材料。例如,若正离子被检测,则纯电荷就是各离子上的电荷。由于这种清洗和更新传感器10的新颖方法可就地执行而无需额外人力,故此方法是非常有利的。
现参照图2,图中示出了根据本发明的生物化学传感器10’的简化剖面图。在本实施例中,相似的元件用相似的参考号表示,所有的参考号都加有撇号以表示不同的实施例。传感器10’包含一个薄膜晶体管15’,栅极16’位于其一侧上。隔离的指示膜17’位于晶体管15’的相反侧上,通常正对着栅16’。在栅16’的相反二侧上制作一个源端18’和一个漏端19’作为晶体管15’的一部分,而半导层20’在其间形成一个电流沟道25’。栅16’和指示膜17’也位于半导层20’的相反二侧。
在图2所示的实施例中,提供了一个支持衬底26’,并在支持衬底26’的表面27’上对导电材料层进行图形化以确定栅16’。支持衬底26’可以是任何一种方便的材料,在本实施例中是一个玻璃板。如前面所解释的,栅16’上通常具有外部连接,为方便起见,此外部连接在图2中未示出。此外部连接可在栅16’图形化时同时制作,而且通常延伸到支持衬底26’可达的区域。
在支持衬底26’上和栅16’上沉积一个隔离层28’,它可以是氮化硅(SiNx)之类的任何一种方便的材料。在隔离层28’上沉积半导层20’,并在半导层20’上分隔开的区域32’和33’中沉积半导体材料35’。分隔开的区域32’和33’横向分布在栅16’的相对二侧,且确定源端18’和漏端19’的位置。在此实施例中,也在位于通常正对着栅16’的区域中用化学腐蚀或本领域熟知的其它方法来清除半导体材料35’(而且在某些应用中还清除部分半导层20’)。在图2的实施例中,用腐蚀的方法在半导体层20’中确定出一个外表面40’。
在区域32’和33’的半导体材料35’的表面上沉积金属或其它导电良好的材料31’,以分别形成源端18’和漏端19’的电接触。在半导层20’的表面40’上和半导体材料35’上沉积隔离层42’,以便将指示层17’同源端18’和漏端19’隔离开来。然后在同表面40’相重叠的隔离层42’上沉积指示膜17’,致使通常正对着栅端16’。
如上文所述,指示膜17’被引入被检测的材料、物质或情况,这种材料、物质或情况就在指示膜17’中感生电荷或电荷位移。由于指示膜17’位于沟道25’的附近,其工作就相似于晶体管15’的栅即控制端。指示膜17’中的感生电荷或电荷位移于是引起流过沟道25’的电流的改变。然后用栅16’上的电位来消除流过沟道25’的电流的改变。栅16’上的这一电位被校正或用作被检测材料、物质或情况的一种极为灵敏的指示或度量。
这样就公开了生物化学传感器,其制造成本较低,可扩大为大的传感器阵列,而且极为灵敏。而且,这种新的改进了的生物化学传感器可以容易地清除被检测的生物或化学物质,而且可容易地适用于检测各种各样的生物和化学物质、光或运动(情况)。在新的改进了的传感器中还可容易地组合各种补偿技术以便扣除传感器中发生的自然改变。这种新的改进了的生物化学传感器提供了更高的可靠性和具有更宽松得多的封装限制的制造性能。当所有电接触置于半导层(例如层20)下方时,就出现获得封装改善的例子。这些接触则可经由支撑衬底中的通道而被寻址。在这一结构中,唯一暴露于大气(敌方)的表面是指示膜,这就导致可靠性提高并显著地放宽了封装限制。
虽然现已描述了本发明的具体实施例,但对本领域的技术人员来说仍有进一步修改和改进的可能。因此,我们希望人们能理解,本发明不局限于所示的特定形式,而是在所附权利要求书中覆盖所有不超越本发明精神与范围的修改。
Claims (10)
1.一种化学传感器,其特征是:
一个带有第一和第二相对二侧面和位于第一侧面上的栅的薄膜晶体管;
一个位于第二侧面上的隔离层;以及
一个位于隔离层上通常正对着栅的指示膜。
2.一种化学传感器,其特征是:
一个薄膜晶体管,它包含一个半导层和与此半导层啮合的源和漏端(源和漏端分隔开来以便在半导层中确定一个电流沟道)以及一个在电流沟道附近与半导层第一侧面啮合的栅端以便在源、漏和栅端被激活时控制源漏间通过电流层的电流;以及
一个位于电流沟道附近邻接于半导层第二侧面的指示膜,以便当源和漏端被激活时控制源漏间通过电流层的电流。
3.权利要求2所述的化学传感器,其特征是,每个源和漏端包含一个位于半导层表面上的掺杂半导材料层和一个位于掺杂半导材料层上的电接触。
4.权利要求2所述的化学传感器,其特征是,栅端包含一个位于半导层表面上的材料隔离层和一个位于材料隔离层上的电接触。
5.权利要求2所述的化学传感器,其特征是,半导层包含非晶硅、氢化非晶硅、多晶硅、硒化镉或有机半导体中的一个。
6.一种化学传感器,其特征是:
一个带有第一和第二表面的半导层;
一个包含位于半导材料层上的电接触的源端以及一个包含位于半导材料层上的电接触的漏端,源端的半导材料层同半导层的第一或第二表面啮合,而漏端的半导材料层同与源端半导材料层分隔开的半导层的第一或第二表面相啮合,以便在半导层中确定一个电流沟道;
一个包含位于隔离层上的电接触的栅端,此栅端隔离层位于电流沟道附近的半导层的第一表面上以确定薄膜晶体管并在源漏和栅端被激活时控制源漏间通过电流层的电流;
一个位于半导层第二表面上的隔离膜;以及
一个位于电流沟道附近隔离膜上的指示膜以便当源和漏端被激活时控制源漏间通过电流层的电流。
7.一种制造化学传感器的方法,其特征是,包括以下步骤:
制作一个带有第一和第二相对二侧面和一个位于第一侧面上的栅的薄膜晶体管;
在第二侧面上沉积一个隔离层;以及
在一般正对着栅的隔离层上沉积一个指示膜。
8.一种制造化学传感器的方法,其特征是,包括以下步骤:
提供一个带有平坦表面的支持衬底;
在支持衬底的表面上沉积一个导电材料层以确定晶体管栅;
在导电层上沉积一个材料隔离层;
在隔离层上二个分隔开的区域中沉积导电材料,分隔开的区域横向位于导电层的相对二侧;
在二个分隔开的区域的每一个中的导电材料上沉积半导体材料;
在二个分隔开的区域的每一个中的半导体材料上和在其间的隔离层上沉积一个半导材料层,以便确定一个表面和同导电层重叠的二个分隔开区域之间的薄膜晶体管电流沟道;
在半导材料层的外表面上沉积一个材料隔离层;以及
在隔离层上沉积一个指示膜。
9.一种制造化学传感器的方法,其特征是,包括以下步骤:
提供一个带有平坦表面的支持衬底;
在支持衬底的表面上沉积一个导电材料层以确定晶体管栅;
在导电层上沉积一个材料隔离层;
在隔离层上沉积一个半导材料层以确定外表面和电流沟道;
在二个分隔开的区域的每一个中的半导材料层上沉积掺杂的半导体材料,此二个分隔开的区域位于晶体管栅的相对二侧;
在二个分隔开的区域中的掺杂半导体材料上沉积导电材料;
在二个分隔开的区域之间的半导材料层的外表面上沉积一个材料隔离层;以及
在隔离层上沉积一个指示膜。
10.一种检测材料、物质或情况存在的方法,其特征是,包括以下步骤:
提供一个材料、物质或情况传感器,此传感器包含一个带有第一和第二相对二侧面以及一个位于第一侧面上的栅的薄膜晶体管、一个位于第二侧面上的隔离层以及一个位于隔离层上通常正对着栅的指示膜;
激活薄膜晶体管并将传感器的指示膜引入待检测的材料、物质或情况;将置零电位加于栅以消除流经薄膜晶体管的电流的改变;以及从置零电位确定被检测材料、物质和出现率的数量。
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