KR20100108707A - Sensor using carbon nanotube - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A sensor circuit using a carbon nano tube is provided to improve sensitivity by using at least one transistor as a sensor. CONSTITUTION: An inverter(10) is comprised of a first transistor(M11) and a second transistor(M12). A carbon nano tube(CNT) is formed between a drain(D) and a source(S) of the first transistor. A carbon nano tube is formed between a drain and a source of the second transistor. At least one carbon nano tube of the first and second transistors is operated as a sensor. A switching element forms the same voltage in an input terminal and an output terminal before the sensor operates.

Description

카본나노튜브를 이용한 센서 회로{SENSOR USING CARBON NANOTUBE}Sensor circuit using carbon nanotubes {SENSOR USING CARBON NANOTUBE}

본 발명은 카본나노튜브의 성질을 이용하여 전기전도도 센서, 유전율 변화 센서, pH 센서, 습도 센서 및 바이오 센서 등에 적용할 수 있는 카본나노튜브를 이용한 센서 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor circuit using carbon nanotubes applicable to an electrical conductivity sensor, a dielectric constant change sensor, a pH sensor, a humidity sensor, and a biosensor using the properties of carbon nanotubes.

카본나노튜브(carbon nanotube)는 그 사이즈가 나노 급으로 작아 표면에 의한 물성의 변화가 크고 이러한 성질을 이용하여 센서로서 연구가 되고 있다.Carbon nanotubes (carbon nanotubes) are nano-sized and have large changes in physical properties due to their surface, and are being studied as sensors using these properties.

카본나노튜브는 흑연(graphite)을 둥글게 말아 놓은 sp2 결합의 관모양을 하고 있어서 단위 면적당 표면적이 매우 넓어 가스분자 또는 이온에 대해 흡착능력이 우수하다.Carbon nanotubes have sp 2 bonds in which graphite is rolled round, so the surface area per unit area is very wide, so it has excellent adsorption capacity for gas molecules or ions.

상기 카본나노튜브는 단일벽 구조(single-walled nanotube), 복수벽 구조(multiwall nanotube), 나노튜브 로프 구조(nanotube rope)와 같은 형태를 가진다.The carbon nanotubes have a form such as a single-walled nanotube, a multiwall nanotube, or a nanotube rope structure.

또한, 카본나노튜브는 전기적으로 금속과 같은 도체 또는 반도체의 특성을 가지고 있으며, 가스 분자 또는 이온의 흡착에 따라 전기전도도가 변화하는 특성을 가지고 있다.In addition, carbon nanotubes have the characteristics of a conductor or a semiconductor, such as a metal electrically, and has the property that the electrical conductivity changes according to the adsorption of gas molecules or ions.

상기 흡착성이 좋은 카본나노튜브에 흡수되는 물질의 상태에 따라 이온 흡착 정도가 변화하고, 이는 상기 카본나노튜브를 감지체로 하였을 때 상기 카본나노튜브가 분자 단위의 작용을 하게 됨으로써, 카본나노튜브에 흡착되는 물질의 전기적인 성질이나 pH, 습도 등의 변화를 측정할 수 있는 소자로서 활용할 수 있음을 나타내는 것이다.The degree of ion adsorption varies depending on the state of the material absorbed into the carbon nanotubes having good adsorption properties, and when the carbon nanotubes are used as the sensing bodies, the carbon nanotubes act as molecular units, thereby adsorbing the carbon nanotubes. It indicates that it can be used as an element that can measure changes in electrical properties, pH, humidity, etc. of materials.

그러나, 종래의 카본나노튜브를 이용한 센서의 경우 단일 트랜지스터를 이용함에 따라 출력 및 감도가 낮아서, 상기 전기적 성질, pH, 습도 등의 변화를 측정할 때 측정 신뢰성을 보장할 수 없는 문제점이 있었다.However, in the case of a sensor using a carbon nanotube according to the related art, the output and the sensitivity are low due to the use of a single transistor, and thus there is a problem in that measurement reliability cannot be guaranteed when measuring changes in the electrical properties, pH, and humidity.

본 발명은 카본나노튜브가 적용된 트랜지스터를 인버터로 구성하고, 적어도 어느 하나의 트랜지스터를 센서로 활용함으로써, 센싱 감도를 보다 더 향상시킬 수 있는 카본나노튜브를 이용한 센서 회로를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a sensor circuit using carbon nanotubes that can further improve the sensing sensitivity by configuring a transistor to which carbon nanotubes are applied as an inverter and utilizing at least one transistor as a sensor.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 고전위와 출력단 사이 에 전류통로가 연결되고, 드레인과 소스 사이에 카본나노튜브가 형성된 제1 트랜지스터; 및 상기 출력단과 저전위 사이에 전류통로가 연결되되 게이트에 입력단이 연결되고, 드레인과 소스 사이에 카본나노튜브가 형성된 제2 트랜지스터;를 포함하며, 상기 제1 및 제2 트랜지스터 중 적어도 어느 하나의 카본나노튜브가 센서로 작동되는 것을 특징으로 한다.Technical means of the present invention for achieving the above object, the first transistor is connected to the current path between the high potential and the output terminal, the first transistor formed carbon nanotube between the drain and the source; And a second transistor having a current path connected between the output terminal and the low potential but having an input terminal connected to a gate and having a carbon nanotube formed between the drain and the source, wherein at least one of the first and second transistors is provided. It is characterized in that the carbon nanotubes are operated as a sensor.

구체적으로, 상기 입력단과 출력단 사이에 연결되어 센서 동작 전에 입력단과 출력단의 전압을 동일하게 하는 스위칭소자를 더 포함하며, 상기 입력단과 저전위 사이에 연결되어 상기 스위칭소자가 온될 경우 출력단의 전압을 충전하는 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Specifically, the switching device further includes a switching device connected between the input terminal and the output terminal to equalize the voltage of the input terminal and the output terminal before the sensor operation, and is connected between the input terminal and the low potential to charge the voltage of the output terminal when the switching device is turned on. It characterized in that it further comprises a capacitor.

상기 출력단을 입력으로 하는 인버터가 더 연결된 것을 특징으로 하며, 상기 인버터는, 고전위와 제2 출력단 사이에 전류통로가 연결되고, 드레인과 소스 사이에 카본나노튜브가 형성된 제3 트랜지스터; 상기 제2 출력단과 저전위 사이에 전류통로가 연결되되 게이트가 출력단에 연결되고, 드레인과 소스 사이에 카본나노튜브가 형성된 제4 트랜지스터; 및 상기 출력단과 제2 출력단 사이에 연결되어 소정의 제어신호에 따라 온,오프되는 제2 스위칭소자; 상기 출력단과 저전위 사이에 연결되어 출력단의 전압을 충전하는 커패시터; 및 상기 출력단과 제2 스위칭소자 사이에 연결된 커플링 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.An inverter having the output terminal as an input, the inverter comprising: a third transistor having a current path connected between a high potential and a second output terminal, and a carbon nanotube formed between a drain and a source; A fourth transistor having a current path connected between the second output terminal and the low potential, a gate connected to the output terminal, and a carbon nanotube formed between the drain and the source; And a second switching element connected between the output terminal and the second output terminal and turned on or off according to a predetermined control signal. A capacitor connected between the output terminal and the low potential to charge a voltage at the output terminal; And a coupling capacitor connected between the output terminal and the second switching element.

상기 제1 트랜지스터 및 제4 트랜지스터 또는 상기 제2 트랜지스터 및 제3 트랜지스터가 센서로 작동되는 것을 특징으로 한다.The first and fourth transistors or the second and third transistors are operated as sensors.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 카본나노튜브가 적용된 트랜지스터를 인버터로 구성하고, 적어도 어느 하나의 트랜지스터를 센서로 활용함으로써, 센싱 감도를 보다 더 향상시킬 수 있고, 적은 양의 감지 대상물을 감지하는 것도 가능한 이점이 있다.As described above, in the present invention, a transistor in which carbon nanotubes are applied may be configured as an inverter, and at least one transistor may be used as a sensor to further improve sensing sensitivity and to detect a small amount of sensing object. There is a possible advantage.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 카본나노튜브를 이용한 센서를 나타낸 회로도이고, 도 2는 도 1의 회로를 나타낸 단면도이다.1 is a circuit diagram showing a sensor using a carbon nanotube according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view showing the circuit of FIG.

센서 회로(10)는 인버터로 구성되어 있는 데, 상기 인버터(10)는 제1 트랜지스터(M11)와 제2 트랜지스터(M12)로 이루어져 있다. 즉, 입력전압(Vin)에 대해서 출력전압(Vout)은 입력에 대해 반전된 형태로 나타나게 된다.The sensor circuit 10 is composed of an inverter. The inverter 10 is composed of a first transistor M11 and a second transistor M12. That is, the output voltage Vout with respect to the input voltage Vin is represented in an inverted form with respect to the input.

상기 제1 트랜지스터(M11)는 고전위(Vdd)와 출력단(Vout) 사이에 전류통로가 연결되고 드레인(D)과 게이트(G)가 서로 연결되어 있고, 제2 트랜지스터(M12)는 상기 출력단(Vout)과 저전위(Vss) 사이에 전류통로가 연결되고 게이트(G)가 입력단(Vin)에 연결되어 있다.The first transistor M11 has a current path connected between the high potential Vdd and the output terminal Vout, the drain D and the gate G are connected to each other, and the second transistor M12 has the output terminal ( The current path is connected between Vout) and the low potential Vss, and the gate G is connected to the input terminal Vin.

제1 트랜지스터(M11)와 제2 트랜지스터(M12)는 도 2에 도시된 바와 같이 드레인(D)과 소스(S) 사이에 카본나노튜브(carbon nanotube; CNT)가 형성되어 있고, 실시예에서는 제2 트랜지스터(M12)의 카본나노튜브(CNT)에는 보호막이 적층되어 있어, 제1 트랜지스터(M11)가 센서로서의 역할을 하게 된다. 물론, 필요에 따라 제2 트랜지스터(M12)를 센서 트랜지스터로 구성하는 것도 가능하며, 제1 및 제2 트랜지스터(M11, M12)를 모두 센서 트랜지스터로 구성하는 것도 가능하다.As illustrated in FIG. 2, the first transistor M11 and the second transistor M12 have carbon nanotubes (CNTs) formed between the drain D and the source S. A protective film is stacked on the carbon nanotubes CNTs of the two transistors M12, and the first transistor M11 serves as a sensor. Of course, if necessary, the second transistor M12 may be configured as a sensor transistor, and both the first and second transistors M11 and M12 may be configured as sensor transistors.

도 1은 증가형(enhancement type) 트랜지스터로 구성된 인버터를 나타내었으나, 공핍형(depletion type) 트랜지스터로 구성된 인버터로도 구성이 가능하다. 상기 공핍형의 경우에는 제1 트랜지스터(M11)의 게이트(G)가 드레인(D)이 아니라 소스(S)와 상호 연결되게 된다.1 illustrates an inverter configured with an enhancement type transistor, but may also be configured with an inverter configured with a depletion type transistor. In the depletion type, the gate G of the first transistor M11 is connected to the source S rather than the drain D.

상기 카본나노튜브(CNT)의 성질을 이용한 센서는 전기전도도 센서, 유전율 변화 센서, pH 센서, 습도 센서 및 바이오 센서 등에 적용될 수 있다. 센서로 사용할 경우에는 작은 양으로도 측정이 가능한 것이 좋은 데, 본 발명에서는 인버터의 구성으로 센서의 감도를 높인다.The sensor using the properties of the carbon nanotubes (CNT) may be applied to electrical conductivity sensors, dielectric constant change sensors, pH sensors, humidity sensors and biosensors. When used as a sensor it is good to be able to measure even a small amount, in the present invention, the configuration of the inverter increases the sensitivity of the sensor.

도 2와 같은 센서의 제조 공정을 보면, 먼저 유리나 플라스틱 혹은 산화막이 형성된 실리콘 기판 등 다양한 재료위에 금속으로 게이트 패턴을 형성하고 절연막을 증착한다. Referring to the manufacturing process of the sensor as shown in FIG. 2, first, a gate pattern is formed of metal on various materials such as glass, plastic, or a silicon substrate on which an oxide film is formed, and an insulating film is deposited.

그리고 카본나노튜브(CNT)를 분산용액에 의한 코팅을 실시하거나 성장시켜 카본나노튜브(CNT)를 형성한다. 이어 카본나노튜브(CNT)를 패턴 형성하고 드레인 및 소스용 금속전극을 증착하고 패턴 형성한다. Carbon nanotubes (CNTs) are coated or dispersed with a dispersion solution to form carbon nanotubes (CNTs). Subsequently, carbon nanotubes (CNTs) are formed in a pattern, and metal electrodes for drain and source are deposited and patterned.

이어서 드레인 및 소스용 금속전극과 카본나노튜브(CNT)의 상단에 보호막을 증착하고, 센서 형성 부위의 보호막을 에칭하는 콘택 공정을 실시한다. 이때 복수 의 트랜지스터(M11, M12) 중 센서로 활용될 부위의 보호막을 제거하게 된다.Subsequently, a protective film is deposited on the upper ends of the drain and source metal electrodes and the carbon nanotubes (CNTs), and a contact process of etching the protective film of the sensor formation site is performed. At this time, the protective film of a portion to be used as a sensor among the plurality of transistors M11 and M12 is removed.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 카본나노튜브를 이용한 센서를 나타낸 회로도로서, 센서 회로(20)는 제1 트랜지스터(M21)와 제2 트랜지스터(M22), 스위칭소자(SW1) 및 커패시터(C1)를 포함한 인버터로 이루어져 있다. 상기에서 제1 및 제2 트랜지스터(M21, M22)의 드레인(D)과 소스(S) 사이에 카본나노튜브(CNT)가 각각 형성되어 있다.3 is a circuit diagram illustrating a sensor using carbon nanotubes according to another embodiment of the present invention, wherein the sensor circuit 20 includes a first transistor M21, a second transistor M22, a switching element SW1, and a capacitor ( It consists of inverter including C1). In the above, carbon nanotubes CNTs are formed between the drains D and the sources S of the first and second transistors M21 and M22, respectively.

상기 제1 트랜지스터(M21)는 고전위(Vdd)와 출력단(Vout) 사이에 전류통로가 연결되되 드레인(D)과 게이트(G)가 서로 연결되어 있고, 제2 트랜지스터(M22)는 상기 출력단(Vout)과 저전위(Vss) 사이에 전류통로가 연결되되 입력노드(ND_in)가 게이트(G)에 연결되어 있고, 스위칭소자(SW1)는 입력노드(ND_in)와 출력단(Vout) 사이에 연결되어 소정의 제어신호에 따라 온,오프되도록 구성되어 있고, 커패시터(C1)는 입력노드(ND_in)와 저전위(Vss) 사이에 연결되어 출력단(Vout)의 전압을 충전하도록 구성되어 있다.In the first transistor M21, a current path is connected between the high potential Vdd and the output terminal Vout, and the drain D and the gate G are connected to each other, and the second transistor M22 is connected to the output terminal ( The current path is connected between Vout) and the low potential Vss, but the input node ND_in is connected to the gate G, and the switching element SW1 is connected between the input node ND_in and the output terminal Vout. The capacitor C1 is configured to be turned on or off according to a predetermined control signal, and the capacitor C1 is connected between the input node ND_in and the low potential Vss to charge the voltage at the output terminal Vout.

상기에서 스위칭소자(SW1)는 트랜지스터뿐만 아니라 일반적인 전기적인 스위치를 사용하여 구성할 수도 있다. 도 3에서 인버터를 구성하는 두 트랜지스터(M21, M22) 중 어느 하나는 보호막으로 덮이고 다른 하나는 보호막으로 덮이지 않는데, 보호막으로 덮이지 않는 트랜지스터는 센서로서 작동하게 된다. The switching element SW1 may be configured using a general electrical switch as well as a transistor. In FIG. 3, one of the two transistors M21 and M22 constituting the inverter is covered with a protective film and the other is not covered with a protective film. The transistor not covered with the protective film operates as a sensor.

여기서, 센서 트랜지스터로 작동하는 제1 트랜지스터(M21)의 카본나노튜브(CNT)에 감지대상물이 흡착되면 전류통로인 카본나노튜브(CNT)의 물리적 특성에 따라 전기 저항의 변화가 일어나게 된다. 이에 따라 인버터의 동작 전압에 변화가 발생되어 출력 전압이 변하게 된다. Here, when the sensing object is adsorbed to the carbon nanotubes (CNT) of the first transistor (M21) acting as a sensor transistor, the electrical resistance changes according to the physical characteristics of the carbon nanotubes (CNTs) as the current path. As a result, a change occurs in the operating voltage of the inverter, thereby changing the output voltage.

이때 출력 전압의 변화를 극대화하기 위해 센서 반응이 일어나기 전에 스위칭소자(SW1)를 온시켰다가 오프시킨다. 스위칭소자(SW1)를 온시키면 인버터의 입력노드(ND_in)와 출력단(Vout)이 전기적으로 연결되고, 이 전기적 연결에 따라 입력노드(ND_in)와 출력단(Vout)의 전압이 같게 됨과 아울러 그 전압이 커패시터(C1)에 충전되게 된다.At this time, in order to maximize the change of the output voltage, the switching device SW1 is turned on and off before the sensor reaction occurs. When the switching device SW1 is turned on, the input node ND_in and the output terminal Vout of the inverter are electrically connected, and the voltages of the input node ND_in and the output terminal Vout are the same according to the electrical connection. The capacitor C1 is to be charged.

따라서, 인버터의 입출력 전압에 대한 특성 곡선에 따라 인버터의 특성 변화가 큰 영역에서 동작점이 설정되고, 이로 인해 감지 대상물의 반응에 의한 트랜지스터(M21)의 저항이 변할 때 출력전압의 변화도 크게 나타나게 되어 감도가 향상된다.Therefore, the operating point is set in the region where the characteristic change of the inverter is large according to the characteristic curve of the inverter's input / output voltage. As a result, when the resistance of the transistor M21 changes due to the reaction of the sensing object, the change of the output voltage also appears large. Sensitivity is improved.

한편, 도 3에서는 커패시터(C1)가 스위칭소자(SW1)를 통해 소정의 전압을 충전하고, 제2 트랜지스터(M22)가 커패시터(C1)에 충전된 전압에 따라 동작하도록 구성되어 있으나, 상기 커패시터(C1)는 외부에서 임의로 입력된 특정 동작전압을 충전하여 제2 트랜지스터(M22)의 동작을 제어하도록 구성할 수도 있다.Meanwhile, in FIG. 3, the capacitor C1 charges a predetermined voltage through the switching element SW1, and the second transistor M22 operates according to the voltage charged in the capacitor C1. C1) may be configured to control the operation of the second transistor M22 by charging a specific operating voltage input arbitrarily from the outside.

도 3은 증가형(enhancement type) 트랜지스터로 구성된 인버터를 나타내었으나, 공핍형(depletion type) 트랜지스터로 구성된 인버터로도 구성이 가능하다. 상기 공핍형의 경우에는 제1 트랜지스터(M21)의 게이트(G)가 드레인(D)이 아니라 소스(S)와 상호 연결된다.3 illustrates an inverter configured with an enhancement type transistor, but may also be configured with an inverter configured with a depletion type transistor. In the depletion type, the gate G of the first transistor M21 is connected to the source S, not the drain D. FIG.

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 카본나노튜브(CNT)를 이용한 센서를 나타낸 회로도로서, 센서 회로(30)는 제1 트랜지스터(M31)와 제2 트랜지스터(M32), 제1 스위칭소자(SW1) 및 제1 커패시터(C1)를 포함한 제1 인버터와, 제3 트랜지스터(M33)와 제4 트랜지스터(M34), 제2 스위칭소자(SW2) 및 제2 커패시터(C2)를 포함한 제2 인버터로 이루어져 있다. 즉, 제1 인버터의 출력을 제2 인버터의 입력노드(ND_in)에 연결하는 구조의 2단 인버터로 센서를 구성함으로써, 출력신호의 변화를 더욱 크게 하였다. 4 is a circuit diagram illustrating a sensor using carbon nanotubes (CNTs) according to another embodiment of the present invention, wherein the sensor circuit 30 includes a first transistor M31, a second transistor M32, and a first switching device. A first inverter including SW1 and a first capacitor C1, and a second inverter including a third transistor M33 and a fourth transistor M34, a second switching element SW2, and a second capacitor C2. Consists of That is, the change in the output signal is further increased by configuring the sensor as a two-stage inverter having a structure in which the output of the first inverter is connected to the input node ND_in of the second inverter.

상기에서 각 트랜지스터(M31~M34)의 드레인(D)과 소스(S) 사이에 카본나노튜브(CNT)가 각각 형성되어 있다.In the above, carbon nanotubes CNTs are formed between the drains D and the sources S of the transistors M31 to M34, respectively.

상기 제1 인버터의 제1 트랜지스터(M31)는 고전위(Vdd)와 제1 출력노드(ND_out1) 사이에 전류통로가 연결되되 드레인(D)과 게이트(G)가 서로 연결되어 있고, 제2 트랜지스터(M32)는 상기 제1 출력노드(ND_out1)와 저전위(Vss) 사이에 전류통로가 연결되되 입력노드(ND_in)가 게이트(G)에 연결되어 있고, 제1 스위칭소자(SW1)는 입력노드(ND_in)와 제1 출력노드(ND_out1) 사이에 연결되어 소정의 제어신호에 따라 온,오프되도록 구성되어 있고, 제1 커패시터(C1)는 입력노드(ND_in)와 저전위(Vss) 사이에 연결되어 제1 출력노드(ND_out1)의 전압을 충전하도록 구성되어 있다.In the first transistor M31 of the first inverter, a current path is connected between the high potential Vdd and the first output node ND_out1, but the drain D and the gate G are connected to each other. M32 has a current path connected between the first output node ND_out1 and the low potential Vss, but an input node ND_in is connected to the gate G, and the first switching device SW1 is an input node. It is connected between (ND_in) and the first output node (ND_out1) is configured to turn on, off according to a predetermined control signal, the first capacitor (C1) is connected between the input node (ND_in) and low potential (Vss) And charges the voltage of the first output node ND_out1.

상기 제2 인버터의 제3 트랜지스터(M33)는 고전위(Vdd)와 제2 출력단(Vout) 사이에 전류통로가 연결되되 드레인(D)과 게이트(G)가 서로 연결되어 있고, 제2 트랜지스터(M32)는 상기 제2 출력단(Vout)과 저전위(Vss) 사이에 전류통로가 연결되되 제1 출력노드(ND_out1)가 게이트(G)에 연결되어 있고, 제2 스위칭소자(SW2)는 제1 출력노드(ND_out1)와 제2 출력단(Vout) 사이에 연결되어 소정의 제어신호에 따 라 온,오프되도록 구성되어 있고, 제2 커패시터(C2)는 제1 출력노드(ND_out1)와 저전위(Vss) 사이에 연결되어 제2 출력단(Vout)의 전압을 충전하도록 구성되어 있다.In the third transistor M33 of the second inverter, a current path is connected between the high potential Vdd and the second output terminal Vout, but the drain D and the gate G are connected to each other. M32 is connected to the current path between the second output terminal (Vout) and the low potential (Vss), the first output node (ND_out1) is connected to the gate (G), the second switching device (SW2) is the first It is connected between the output node ND_out1 and the second output terminal Vout and configured to be turned on or off according to a predetermined control signal, and the second capacitor C2 is connected to the first output node ND_out1 and the low potential Vss. ) Is configured to charge the voltage at the second output terminal (Vout).

한편, 제1 출력노드(ND_out1)와 제2 스위칭소자(SW2) 사이에는 커플링 커패시터(Cc)가 더 연결되어 있다.Meanwhile, the coupling capacitor Cc is further connected between the first output node ND_out1 and the second switching device SW2.

상기에서 스위칭소자(SW1, SW2)는 트랜지스터뿐만 아니라 일반적인 전기적인 스위치를 사용하여 구성할 수도 있다. 도 4에서 제1 인버터 또는 제2 인버터를 각각 구성하는 두 트랜지스터(M31, M32)(M33, M34) 중 어느 하나는 보호막으로 덮이고 다른 하나는 보호막으로 덮이지 않는데, 보호막으로 덮이지 않는 트랜지스터는 센서로서 작동하게 된다. 여기에서, 제1 트랜지스터(M31)가 센서로 작동될 경우 제4 트랜지스터(M34)를 센서로 구성하고, 제2 트랜지스터(M32)가 센서로 작동될 경우 제3 트랜지스터(M33)를 센서로 구성하는 것이 출력신호의 증폭도를 높일 수 있어 바람직하다.The switching elements SW1 and SW2 may be configured using general electrical switches as well as transistors. In FIG. 4, one of the two transistors M31 and M32 constituting the first inverter or the second inverter, respectively, M33 and M34 is covered with a protective film and the other is not covered with the protective film. Will work as. Herein, when the first transistor M31 is operated as a sensor, the fourth transistor M34 is configured as a sensor, and when the second transistor M32 is operated as a sensor, the third transistor M33 is configured as a sensor. It is preferable to increase the amplification degree of the output signal.

여기서, 센서 트랜지스터로 작동하는 제1 트랜지스터(M31)와 제4 트랜지스터(M34) 또는 제2 트랜지스터(M32)와 제3 트랜지스터(M33)의 카본나노튜브(CNT)에 감지대상물이 각각 흡착되면 전류통로인 카본나노튜브(CNT)의 물리적 특성에 따라 전기 저항의 변화가 일어나게 된다. 이에 따라 인버터의 동작 전압에 변화가 발생되어 출력 전압이 변하게 된다. Here, the current path when the sensing object is adsorbed to the carbon nanotube (CNT) of the first transistor (M31) and the fourth transistor (M34) or the second transistor (M32) and the third transistor (M33) acting as a sensor transistor, respectively. According to the physical properties of phosphorus carbon nanotubes (CNT), electrical resistance changes. As a result, a change occurs in the operating voltage of the inverter, thereby changing the output voltage.

이때 출력 전압의 변화를 극대화하기 위해 센서 반응이 일어나기 전에 제1 및 제2 스위칭소자(SW1, SW2)를 온시키고 제1 스위칭소자(SW1)를 오프시킨 후 제2 스위칭소자(SW2)를 순차적으로 오프시킨다. 상기에서 제1 및 제2 스위칭소자(SW1, SW2)를 각각 온시키면 제1 인버터의 입력노드(ND_in)와 제1 출력노드(ND_out1)가 전기적으로 연결되고 제2 인버터의 제1 출력노드(ND_out1)와 제2 출력단(Vout)이 전기적으로 각각 연결된다. 상기 전기적 연결에 따라 제1 출력노드(ND_out1) 및 제2 출력단(Vout)의 전압이 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)에 각각 충전되게 된다.At this time, in order to maximize the change in the output voltage, before the sensor reaction occurs, the first and second switching devices SW1 and SW2 are turned on, the first switching device SW1 is turned off, and the second switching device SW2 is sequentially turned on. Turn it off. When the first and second switching devices SW1 and SW2 are turned on, the input node ND_in and the first output node ND_out1 of the first inverter are electrically connected to each other, and the first output node ND_out1 of the second inverter is electrically connected. ) And the second output terminal (Vout) are electrically connected to each other. According to the electrical connection, the voltages of the first output node ND_out1 and the second output terminal Vout are charged to the first and second capacitors C1 and C2, respectively.

따라서, 인버터의 입출력 전압에 대한 특성 곡선에 따라 인버터의 특성 변화가 큰 영역에서 동작점이 설정되고, 이로 인해 감지 대상물의 반응에 의한 트랜지스터의 저항이 변할 때 출력전압의 변화도 크게 나타나게 되어 감도가 향상된다.Therefore, the operating point is set in the region where the characteristic change of the inverter is large according to the characteristic curve of the inverter's input / output voltage. As a result, when the resistance of the transistor changes due to the reaction of the sensing object, the change of the output voltage also appears to increase the sensitivity. do.

예컨대, 센서로 동작하는 제1 트랜지스터(M31)와 제4 트랜지스터(M34)의 카본나노튜브(CNT)에 감지 대상물이 흡착되면, 각 카본나노튜브(CNT)의 전기 저항이 커지게 되고, 이에 따라 제1 출력노드(ND_out1)의 전압이 강하되게 된다. 상기 제1 출력노드(ND_out1)의 전압이 강하됨과 아울러 제4 트랜지스터(M34)의 전기 저항이 커지게 되면 제2 출력단(Vout)의 상승 전압은 더욱 커지게 된다. 즉, 2단 인버터(30)를 이용하여 센서를 구성하면 감도 특성과 출력 증폭도를 더욱 더 향상시킬 수 있게 된다.For example, when the sensing object is adsorbed to the carbon nanotubes CNT of the first transistor M31 and the fourth transistor M34 acting as a sensor, the electrical resistance of each of the carbon nanotubes CNT increases. The voltage of the first output node ND_out1 drops. When the voltage of the first output node ND_out1 drops and the electrical resistance of the fourth transistor M34 increases, the rising voltage of the second output terminal Vout increases. That is, by configuring the sensor using the two-stage inverter 30 it is possible to further improve the sensitivity characteristics and the output amplification degree.

상기에서, 카본나노튜브(CNT)에 감지 대상물이 흡착되면, 흡착물의 종류에 따라 카본나노튜브의 전기 저항이 커질 수도 있고 작아질 수도 있는 데, 본 발명에서는 설명의 편의상 전기저항이 커지는 경우에 대하여 고려한 것이나 이에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 인버터형 센서는 카본나노튜브에 감지 대상물이 흡착되어 전기저항이 감소하는 경우에도 출력 증폭도를 더욱 더 향상시키는 쪽으로 동작하게 된다.In the above, when the sensing object is adsorbed on the carbon nanotubes (CNT), the electrical resistance of the carbon nanotubes may be increased or decreased depending on the type of adsorbent. In the present invention, for convenience of description, the electrical resistance is increased. It is considered, but it is not limited to this. That is, the inverter type sensor of the present invention operates to further improve the output amplification degree even when the sensing object is adsorbed on the carbon nanotubes and the electrical resistance decreases.

도 4는 증가형(enhancement type) 트랜지스터로 구성된 인버터를 나타내었으나, 공핍형(depletion type) 트랜지스터로 구성된 인버터로도 구성이 가능하다. 상기 공핍형의 경우에는 제1 트랜지스터(M31)의 게이트(G)가 드레인(D)이 아니라 소스(S)와 상호 연결된다.4 illustrates an inverter configured with an enhancement type transistor, but may also be configured with an inverter configured with a depletion type transistor. In the depletion type, the gate G of the first transistor M31 is connected to the source S, not the drain D.

이와 같이 복수의 스위칭소자(SW1, SW2)를 이용하여 2단 인버터(30)의 동작점을 결정하고, 이와 같이 결정된 동작점에서 인버터의 특성 변화도 크게 나타나므로 센서의 감도를 높일 수 있고, 소량 대상물의 감지도 가능하게 된다.In this way, the operating point of the two-stage inverter 30 is determined by using the plurality of switching elements SW1 and SW2, and the characteristic change of the inverter is also large at the determined operating point. Thus, the sensitivity of the sensor can be increased, Detection of the object is also possible.

상기의 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이다. 그러므로, 이러한 수정, 변경 및 부가는 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Preferred embodiments of the present invention are disclosed for purposes of illustration, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit of the present invention. Therefore, such modifications, changes and additions should be determined not only by the claims below, but also by equivalents to those claims.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 카본나노튜브를 이용한 센서를 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram showing a sensor using a carbon nanotube according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 센서 회로를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating the sensor circuit of FIG. 1.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 카본나노튜브를 이용한 센서를 나타낸 회로도이다.3 is a circuit diagram showing a sensor using carbon nanotubes according to another embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 카본나노튜브를 이용한 센서를 나타낸 회로도이다.4 is a circuit diagram showing a sensor using carbon nanotubes according to another embodiment of the present invention.

Claims (8)

고전위와 출력단 사이에 전류통로가 연결되고, 드레인과 소스 사이에 카본나노튜브가 형성된 제1 트랜지스터; 및A first transistor having a current path connected between the high potential and the output terminal, and a carbon nanotube formed between the drain and the source; And 상기 출력단과 저전위 사이에 전류통로가 연결되되 게이트에 입력단이 연결되고, 드레인과 소스 사이에 카본나노튜브가 형성된 제2 트랜지스터;를 포함하며,And a second transistor having a current path connected between the output terminal and the low potential but having an input terminal connected to a gate, and having a carbon nanotube formed between the drain and the source. 상기 제1 및 제2 트랜지스터 중 적어도 어느 하나의 카본나노튜브가 센서로 작동되는 카본나노튜브를 이용한 센서 회로.A sensor circuit using carbon nanotubes in which at least one carbon nanotube of the first and second transistors is operated as a sensor. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 입력단과 출력단 사이에 연결되어 센서 동작 전에 입력단과 출력단의 전압을 동일하게 하는 스위칭소자를 더 포함하는 카본나노튜브를 이용한 센서 회로.And a switching device connected between the input terminal and the output terminal to equalize the voltages of the input terminal and the output terminal before the sensor operation. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 입력단과 저전위 사이에 연결되어 상기 스위칭소자가 온될 경우 출력단의 전압을 충전하는 커패시터를 더 포함하는 카본나노튜브를 이용한 센서 회로.And a capacitor connected between the input terminal and the low potential to charge a voltage at the output terminal when the switching device is turned on. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 스위칭소자는 입출력 동작점을 조절하여 감도를 높이는 것인 카본나노튜브를 이용한 센서 회로.The switching device is a sensor circuit using carbon nanotubes to increase the sensitivity by adjusting the input and output operating point. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 트랜지스터는 증가형 또는 공핍형 트랜지스터 구조인 것인 카본나노튜브를 이용한 센서 회로.The first transistor is a sensor circuit using a carbon nanotube that is an increased or depleted transistor structure. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 출력단을 입력으로 하는 인버터가 더 연결된 것인 카본나노튜브를 이용한 센서 회로.Sensor circuit using a carbon nanotube that is further connected to the inverter to the output terminal. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 인버터는, 고전위와 제2 출력단 사이에 전류통로가 연결되고, 드레인과 소스 사이에 카본나노튜브가 형성된 제3 트랜지스터; 상기 제2 출력단과 저전위 사이에 전류통로가 연결되되 게이트가 출력단에 연결되고, 드레인과 소스 사이에 카 본나노튜브가 형성된 제4 트랜지스터; 및 상기 출력단과 제2 출력단 사이에 연결되어 소정의 제어신호에 따라 온,오프되는 제2 스위칭소자; 상기 출력단과 저전위 사이에 연결되어 출력단의 전압을 충전하는 커패시터; 및 상기 출력단과 제2 스위칭소자 사이에 연결된 커플링 커패시터;를 포함하는 카본나노튜브를 이용한 센서 회로.The inverter may include: a third transistor having a current path connected between the high potential and the second output terminal, and a carbon nanotube formed between the drain and the source; A fourth transistor having a current path connected between the second output terminal and a low potential, a gate connected to the output terminal, and a carbon nanotube formed between a drain and a source; And a second switching element connected between the output terminal and the second output terminal and turned on or off according to a predetermined control signal. A capacitor connected between the output terminal and the low potential to charge a voltage at the output terminal; And a coupling capacitor connected between the output terminal and the second switching element. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제1 트랜지스터 및 제4 트랜지스터 또는 상기 제2 트랜지스터 및 제3 트랜지스터가 센서로 작동되도록 형성된 카본나노튜브를 이용한 센서 회로.Sensor circuit using a carbon nanotube formed to operate the first transistor and the fourth transistor or the second transistor and the third transistor as a sensor.
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