JP2010078604A - 薄膜型センシング部材を利用した化学センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】薄膜型センシング部材を利用した化学センサを提供する。
【解決手段】第１電極及び第２電極間の薄膜型センシング部材を具備し、センシングしようとする化合物がセンシング部材に吸着しつつ発生する電気的性質の変化を測定する化学センサである。該薄膜型センシング部材は、化学センサの面積が広く、化学センサの感度が向上する。第２電極はナノ構造体であって、センシング部材の表面を露出させることができる構造である。第２電極は、１０ｎｍ〜１０μｍ幅を有し、第１電極及び第２電極間のギャップは、１０ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】第１電極及び第２電極間の薄膜型センシング部材を具備し、センシングしようとする化合物がセンシング部材に吸着しつつ発生する電気的性質の変化を測定する化学センサである。該薄膜型センシング部材は、化学センサの面積が広く、化学センサの感度が向上する。第２電極はナノ構造体であって、センシング部材の表面を露出させることができる構造である。第２電極は、１０ｎｍ〜１０μｍ幅を有し、第１電極及び第２電極間のギャップは、１０ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、センシング部材の面積が広く、ナノワイヤなどのナノ構造体を上部電極として利用した化学センサに関する。
一般的な化学センサは、化合物分子の吸着によって、電気伝導度または電気抵抗が変化する特性を利用し、化合物の量を測定する。最近になって、人間の息から出てくる化合物成分を測定して計測することによって、疾病を診断できるという研究が進められている。例えば、肺ガン患者及び乳ガン患者の場合、呼吸時に排出する化合物のうち、１０種余りの揮発性有機化合物（ＶＯＣ：ｖｏｌａｔｉｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ：ＶＯＣ）に関し、一般人と差があることが知られている。
従って、揮発性有機化合物の化学成分を分析する化学センサは、疾病を検出するセンサとしての機能を果たすことが可能である。
揮発性有機化合物は、その特性が極めて安定的であるので、電気的方法を利用して成分を分析するのが非常に困難である。このため、ガスクロマトグラフィ（ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）などを利用することになるが、これは、センサの体積が大きく、コストもかさむ。
半導体を利用したセンサの場合、コストが低廉であり、リアルタイムで検出が可能であって、体積を非常に小さくすることができるという長所があるが、まだ検出感度が低く、揮発性有機化合物のように安定した物質を検出し難い。
一方、伝導性ポリマー（ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒ）を利用した揮発性有機化合物測定センサが試みられている。揮発性有機化合物が吸着されたときに発生する膨張（スウェリング：ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象など、さまざまな原因によって、伝導性ポリマーの仕事関数が変化するので、この変化を測定することによって、測定が可能になりうる。
しかし、伝導性ポリマーを利用した素子を具現する場合にも、その検出能が数ｐｐｍレベルまで達することは困難である。これは、非常に少量の吸着物による電気的性質の変化を検出するには、センシングチャンネルの体積が大きすぎるためである。
本発明が解決しようとする課題は、センシング面積を広く維持しつつ、薄膜のセンシング部材を利用して感度が向上した化学センサを提供することである。
本発明の一実施形態による化学センサは、基板上に形成された第１電極と、前記基板上で前記第１電極を覆うセンシング部材と、前記センシング部材上に前記センシング部材の表面を露出させる構造の第２電極とを具備し、センシングしようとする化合物が前記センシング部材に吸着しつつ発生する電気的性質の変化が測定される。
前記第２電極は、１０ｎｍ〜１０μｍ幅を有することができる。
前記第１電極及び前記第２電極間のギャップは、１０ｎｍ〜１μｍでありうる。
本発明の一実施形態によれば、前記第１電極は、複数のナノワイヤを具備し、前記第２電極は、複数のナノワイヤを具備する。そして、前記第１電極及び前記第２電極は、交差するように配される。
本発明の他の実施形態によれば、前記第１電極及び前記第２電極は、互いに平行に並んで配される。
本発明のさらに他の実施形態によれば、前記第１電極は、平板電極である。前記第２電極は、複数のナノワイヤを具備することができる。
また、前記第２電極は、コイル状電極でありうる。
前記センシング部材は、金属酸化物、伝導性ポリマー、絶縁性ポリマーのうち選択された一つによって形成される。
前記金属酸化物は、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３、Ｆｅ２Ｏ３のうち選択された一つで形成される。
前記ポリマーは、炭素ナノチューブ、グラフェン、ナノワイヤのうち少なくともいずれか一つが含浸されうる。
本発明の他の実施形態による化学センサアレイは、基板上に、アレイ状に配列された複数の前記化学センサを具備し、前記複数の化学センサの前記センシング部材は、互いに異なる化合物を検出する。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態による化学センサについて、さらに詳細に説明する。この過程で図面に図示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張されるように図示されている。また、同じ構成要素には、同じ参照符号を使用し、反復される説明は省略する。
図１は、本発明の一実施形態による化学センサ１００の構造を概略的に示す斜視図である。
図１を参照すれば、基板１１０上に、第１ナノワイヤ１２０が互いに平行に配されている。そして、第１ナノワイヤ１２０上に、第２ナノワイヤ１４０が第１ナノワイヤ１２０と離隔されつつ、第１ナノワイヤ１２０と交差するように配されている。第１ナノワイヤ１２０及び第２ナノワイヤ１４０間には、センシング部材１３０が第１ナノワイヤ１２０を覆うように形成される。
前記第１ナノワイヤ１２０及び第２ナノワイヤ１４０は、金属物質、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などから形成され、その直径が１０ｎｍ〜１０μｍに形成されうる。第１ナノワイヤ１２０間の間隔Ｇ１及び第２ナノワイヤ１４０間の間隔Ｇ２は、それぞれ１０ｎｍ〜１０μｍに形成されうる。また、センシング部材１３０は、第１ナノワイヤ１２０及び第２ナノワイヤ１４０間のギャップＧ３が１０ｎｍ〜１μｍになるように形成されうる。第１ナノワイヤ１２０及び第２ナノワイヤ１４０は、第１電極及び第２電極とも呼ばれる。
また、第１ナノワイヤ１２０及び第２ナノワイヤ１４０は、炭素ナノチューブ、またはパターニングされたグラフェンから形成されうる。
前記センシング部材１３０は、金属酸化物、伝導性ポリマー、絶縁性ポリマーのうち、いずれか一つによって形成されうる。前記金属酸化物は、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３、Ｆｅ２Ｏ３のうち、いずれか一つでありうる。前記伝導性ポリマー及び絶縁性ポリマーには、炭素ナノチューブ、グラフェン、ナノワイヤなどが含浸されうる。
前記伝導性ポリマーは、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（エチレン−コ−ビニルアセテート）、ポリ（スチレン−コ−ブタジエン）、ポリ（９−ビニルカーボネート）、ポリ（ピロール）／ＢＳＡ、ポリ（ビチオフェン）／ＴＢＡＴＦＢなどから形成されうる。そして、絶縁性ポリマーには、導電物質、例えば、カーボンブラックが含浸され、それによって、伝導度を調節することも可能である。ここで、ＢＳＡは１−スルホン酸ブタンであり、ＴＢＡＴＦＢは、テトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレートである。これらは、当該ポリマーに添加されたものである。
一方、絶縁性ポリマーをセンシング部材１３０として使用する場合、第１ナノワイヤ１２０及び第２ナノワイヤ１４０間の伝導性は、トンネリング電流による。
図２は、図１の構造の平面図である。便宜上、基板は省略した。
図２を参照すれば、第１ナノワイヤ１２０及び第２ナノワイヤ１４０は、直交するように配されている。第１ナノワイヤ１２０の一端は、第１電極パッド１２２に連結され、第２ナノワイヤ１４０は、第２電極パッド１４２に連結される。センシング部材１３０は、化学センサ１００の大部分の面積を占め、従って、化学センサ１００の感度が向上する。図１では、便宜上、第１電極パッド１２２及び第２電極パッド１４２を省略した。第１電極パッド１２２及び第２電極パッド１４２間に、それらの間の電流を測定する電流計（ａｍｍｅｔｅｒ）１５０が形成されうる。
一実施例による化学センサ１００の動作原理について説明する。まず、化学センサ１００に化合物を接触させれば、化合物は、化学センサ１００のセンシング部材１３０に吸着される。前記センシング部材１３０には、第１ナノワイヤ１２０と第２ナノワイヤ１４０とが交差するコンタクト、すなわち、ナノコンタクトアレイが形成される。前記化合物が付着されたセンシング部材１３０に抵抗の変化が生じる。この抵抗の変化は、電流値の差として検出されうる。例えば、第１電極パッド１２２及び第２電極パッド１４２に読み取り電圧を印加し、電流計１５０で抵抗変化による電流値を測定する。読み取り電圧は、センシング部材及びセンサによって数ｍＶないし１０Ｖの直流電圧を使用できる。この電流値差を感知すれば、当該化合物の濃度を測定できる。
本発明の一実施形態による化学センサ１００には、ナノコンタクトがｎｍサイズでアレイ状に形成され、数ｐｐｍ以下の化合物が吸着されても、化合物濃度を把握できる。また、化学センサ１００で、センシング部材１３０の面積が広いため、化学センサ１００の感度が向上する。
図３は、本発明の他の実施形態による化学センサアレイ２００の構成を示す図面である。図１の化学センサ１００の構成要素と同じ構成要素には、同じ参照符号を使用し、詳細な説明は省略する。
図３を参照すれば、基板２１０上には、複数の化学センサ１００がアレイ状に配される。化学センサ１００の第１ナノワイヤ１２０は、第１電極パッド１２２に連結され、第２ナノワイヤ１４０は、第２電極パッド１４２に連結される。第１電極パッド１２２及び第２電極パッド１４２は、パターン分析システム２２０に連結される。
分析物（ａｎａｌｙｔｅ）が第１ナノワイヤ１２０及び第２ナノワイヤ１４０間のセンシング部材１３０に吸着されれば、第１ナノワイヤ１２０及び第２ナノワイヤ１４０間の仕事関数（ｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の変化が発生する。かような仕事関数の変化は、抵抗性または導電性の差によって示される。
パターン分析システム２２０は、各化学センサ１００での化合物の濃度を測定する。パターン分析システム２２０は、化合物の分析前に、各化学センサ１００での化合物の吸着濃度による電流特性を分析する。各化学センサ１００は、センシング部材１３０の構成が互いに異なるように形成されうる。すなわち、センシング部材１３０の種類及び第１ナノワイヤ１２０及び第２ナノワイヤ１４０間のギャップにより、各化学センサ１００でのセンシング部材１３０の仕事関数を変更すれば、特定分析物の吸着濃度と高い相関関係を有した化学センサ１００を作ることができる。
従って、各化学センサ１００は、特定の化合物に対する化学センサになり、パターン分析システム２２０は、あらかじめ作成した特性曲線に基づいて、吸着された化合物濃度を測定できる。
図４は、図１の変形例の化学センサ３００を図示した平面図である。
図４を参照すれば、基板３１０上に、複数の第１ナノワイヤ３２０が互いに平行に並んで形成されており、センシング部材３３０が基板３１０上で、第１ナノワイヤ３２０を覆うように形成されている。センシング部材３３０上には、第２ナノワイヤ３４０が互いに平行に並んで形成される。第１ナノワイヤ３２０は、第１電極パッド３２２に連結され、第２ナノワイヤ３４０は、第２電極パッド３４２に連結される。第２ナノワイヤ３４０は、第１ナノワイヤ３２０とも平行に並んで形成される。図４では、第２ナノワイヤ３４０が第１ナノワイヤ３２０と互いに交互に形成されているが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、第２ナノワイヤ３４０が第１ナノワイヤ３２０の真上に配されもする。
図４の化学センサ３００の作用は、図１の化学センサ１００の作用と実質的に同一なので、詳細な説明は省略する。
図５は、本発明のさらに他の実施形態による化学センサ４００の平面図である。
図５を参照すれば、基板４１０上に平板形状の第１電極４２０が形成されており、第１電極４２０上に、センシング部材４３０が形成されている。センシング部材４３０上には、第２電極４４０が形成されている。第２電極４４０は、複数のナノワイヤによって構成される。第１電極４２０の一端には、第１電極パッド４２２が連結され、第２電極４４０の一端には、第２電極パッド４４２が連結される。第１電極４２０は、平板電極であるから、製造が容易であり、第１電極パッド４２２のサイズを縮小化することができる。他の構成は、図１の構成と実質的に同一であり、詳細な説明は省略する。
図６は、図５の化学センサ４００の変形例５００を図示した平面図である。
図６を参照すれば、第２電極５４０が螺旋状を有する。第２電極パッド５４２のサイズを縮小化しうる。他の構成は、図５の構成と実質的に同一であり、詳細な説明は省略する。
図７Ａないし図７Ｃは、図１の化学センサを製造する方法を段階別に説明する斜視図である。
図７Ａを参照すれば、基板６１０上に、第１金属（図示せず）、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などを蒸着する。次に、第１金属をパターニングし、互いに平行した複数の第１ナノワイヤ６２０を形成する。
図７Ｂを参照すれば、基板６１０上に、第１ナノワイヤ６２０を覆うように、スピンコーティング法で伝導性ポリマー層６３０を形成する。伝導性ポリマー層６３０は、第１ナノワイヤ６２０より約数十ｎｍ高く形成する。このために、化学的機械的研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を使用することも可能である。
図７Ｃを参照すれば、伝導性ポリマー層６３０上に、第２金属（図示せず）を蒸着する。第２金属は、第１金属と同じ物質によって形成されうる。次に、第２金属をパターニングして第２ナノワイヤ６４０を形成する。第２ナノワイヤ６４０は、第１ナノワイヤ６２０と直交するように形成される。
本発明は、図面を参照しつつ、実施形態を参考にして説明したが、それらは例示的なものに過ぎず、当分野における当業者ならば、それらから多様な変形及び均等な実施形態が可能であるという点を理解することで可能であろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決まるものである。
１００，３００，４００，５００ 化学センサ
１１０，２１０，３１０，４１０，６１０ 基板
１２０，３２０，６２０ 第１ナノワイヤ
１２２，３２２，４２２，５４２ 第１電極パッド
１３０，３３０，４３０ センサ部材
１４０，３４０，６４０ 第２ナノワイヤ
１４２，３４２，４４２ 第２電極パッド
１５０ 電流計
２００ 化学センサアレイ
２２０ パターン分析システム
４２０ 第１電極
４４０，５４０ 第２電極
５４２ 第２電極パッド
６３０ 伝導性ポリマー層
Ｇ 間隙
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Ｇ 間隙
Claims (13)
- 基板上に形成された第１電極と、
前記基板上で前記第１電極を覆うセンシング部材と、
前記センシング部材上で、前記センシング部材の表面を露出させる構造の第２電極とを具備し、
センシングしようとする化合物が前記センシング部材に吸着しつつ発生する電気的性質の変化を測定する化学センサ。 - 前記第２電極は、１０ｎｍ〜１０μｍ幅を有することを特徴とする請求項１に記載の化学センサ。
- 前記第１電極及び前記第２電極間のギャップは、１０ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする請求項１に記載の化学センサ。
- 前記第１電極は、複数のナノワイヤを具備し、
前記第２電極は、複数のナノワイヤを具備したことを特徴とする請求項１に記載の化学センサ。 - 前記第１電極及び前記第２電極は、交差するように形成されたことを特徴とする請求項４に記載の化学センサ。
- 前記第１電極及び前記第２電極は、互いに平行に並んで形成されたことを特徴とする請求項４に記載の化学センサ。
- 前記第１電極は、平板電極であることを特徴とする請求項１に記載の化学センサ。
- 前記第２電極は、複数のナノワイヤを具備したことを特徴とする請求項７に記載の化学センサ。
- 前記第２電極は、コイル状電極であることを特徴とする請求項７に記載の化学センサ。
- 前記センシング部材は、金属酸化物、伝導性ポリマー、絶縁性ポリマーのうち、選択された一つによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の化学センサ。
- 前記金属酸化物は、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３、Ｆｅ２Ｏ３のうち、選択された一つによって形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の化学センサ。
- 前記ポリマーは、炭素ナノチューブ、グラフェン、ナノワイヤのうち、少なくともいずれか一つが含浸されたことを特徴とする請求項１０に記載の化学センサ。
- 基板上にアレイ状に配列された複数の請求項１に記載の化学センサを具備し、前記複数の化学センサの前記センシング部材は、互いに異なる化合物を検出する化学センサアレイ。
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