TW202020440A - 感測器平台 - Google Patents

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杰克斯 列斐伏爾
弗朗索瓦 拉普安特
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加拿大國家研究委員會
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Abstract

一種用於感測氣體、液體或蒸氣樣本中的目標分析物之電子裝置，所述電子裝置具有至少二感測元件，每一感測元件具有支撐在介電質基板上的轉導材料之暴露層。至少一感測元件的介電質基板係由與至少另一感測元件之介電質基板不同的介電質材料所製成。不同之介電質材料根據一或更多轉導模式提供不同的感測反應。所述裝置中之複數感測元件產生用於氣體、液體或蒸氣樣本中的特定目標分析物之特定轉導型式。

Description

感測器平台
對相關申請案之交叉引用，本申請案主張2018年11月20日提交的美國臨時專利申請案USSN 62 / 769,621之權益，其全部內容以引用的方式併入本文中。
本申請案有關電子感測器、尤其是有關用於從氣體、液體或蒸氣偵測至少一種目標分析物之電子感測器。
尤其是那些基於半導體單壁式碳奈米管(sc-SWCNTs)的CNT感測器，為在物聯網和可穿戴裝置中實現之新一代可廣泛部署、高性能、和印刷低成本電子裝置供給許多可期望的功能。由於藉由CNT材料所供給之大表面積，因此主要但並非僅基於電子轉導的CNT感測器(例如化學電阻器、電容式、電晶體)非常靈敏。然而，由於奈米管側壁之反應性有限，對特定分析物(例如氣體或溶劑化分子)的選擇性通常非常差。再者，當前之感測器架構對奈米管周圍的界面幾乎不會呈現控制作用。
可藉由許多不同方法來達成基於CNT之感測器對給定分析物的選擇性之改善，這些方法包括：用化學上不同的膜塗覆CNT；CNT之共價或非共價化學官能基化；用奈米微粒裝飾CNT側壁；將CNT與另一轉導材料結合；及基板或接觸電極的化學官能基化。每一方法具有特定之屬性，並可用於目標感測應用。這些感測器的共同點是，下層基板除了機械支撐外沒有其他功能。然而，對於單壁式CNT，所有奈米管原子都暴露至環境和基板之間的界面。如此，所述界面在性能方面起著重要作用，且明顯之干擾可源自周圍的材料(尤其是用於薄膜電晶體)。目前，此類干擾嚴重限制基於CNT之感測。例如，基板界面呈現諸表面狀態、偶極子、和電荷阱，且因此在裝置性能、操作可變性、和感測器反應中起著重要作用。於通道和介電界面未受到保護的電晶體中，即使不是全部，數個電晶體度量對環境條件中之波動變得靈敏。最著名的例子是親水性SiO2 介電質，在此底部閘極組構中之裸露電晶體於空氣環境中為單極p型，在正向和反向閘極掃描方向之間具有明顯的磁滯現象。O2 / H2 O氧化還原過程之作用證明為負責抑制n型轉導的主要機制。於此電晶體上，隨著空氣周圍條件中之變化，可觀察到電晶體參數的日常變動。對於數個電子應用，這是不可接受的，且需要適當之封裝。然而，從感測角度看，只要可達成一定程度的控制，此屬性就很有吸引力。如果可合理化和控制變異性，則可有利地使用基板誘導之變異性。儘管基板作用對電晶體性能的作用已得到公認，但基板對感測反應之重要性卻被忽略了，且大多數研究都集中在無機介電質材料、主要是SiO2 上。
仍然需要基於正交信號和資料分析的感測器、尤其是基於CNT之感測器。
在一態樣中，提供有一種用於感測氣體、液體或蒸氣樣本中的目標分析物之電子裝置，所述裝置包含至少二感測元件，每一感測元件包含支撐在介電質基板上的轉導材料之暴露層，其中感測元件之至少一者的介電質基板與感測元件之至少另一者的介電質基板係包含不同的介電質材料，所述不同之介電質材料根據一或更多轉導模式提供不同的感測反應。
還提供一種用於感測氣體、液體、或蒸氣樣本中之目標分析物的方法，所述方法包含：將如上面所界定之裝置暴露至含有目標分析物的氣體、液體、或蒸氣樣本；及根據一或更多轉導模式，測量至少二感測元件之間的不同感測反應。
感測元件可為電阻器(例如，化學電阻器)、電容器、二極體，電晶體、電化學電池或其組合。電子感測裝置根據四種轉導模式操作。分析物可造成：1)感測元件之費米(Fermi)能階偏移(靜電；化學摻雜)；2)感測元件的肖特基(Schottky)能障之調變(電荷載體注入效率；接觸電阻)；3)感測元件周圍的介電環境中之變化(有效介電常數；閘極電容)；及／或4)感測元件的載體擴散率中之變化(電荷載體遷移率；通道電阻)。基板介電質對感測元件的電子特性之主要影響是經過1)費米能階的移位和3)介電質環境中之變化而發生。再者，因為界面的化學本質中之變化，交換基板介電質亦供給改變分析物與基板的相互作用強度之機會。這導致對某些類型的分子或多或少之親和力。轉導材料和介電質材料的組合產生用於不同目標分析物之感測元件的不同轉導模式。如此，給定感測元件之轉導信號是a)基板介電質對感測元件的電子性質上之影響，b)基板介電質對分析物與裝置的特定相互作用強度之影響，及c)經過轉導模式1)至4)的分析物對裝置之影響的迴旋。
因此，可利用下面之介電界面，以用主要有利於四種轉導模式之一的方式來調諧感測元件之電子性質。因為對於給定分析物或一組分析物，介電質基板在感測裝置中的行為相對於每一轉導模式略有不同，所以單個感測元件對於特別之目標分析物可能非特定的，但包含數個元件之感測裝置可根據來自多數信號的轉導模式識別目標分析物。因此，不僅對於一目標分析物而且對於一組目標分析物中之目標分析物，包含具有不同介電質基板的感測元件之感測裝置可具有顯著改善的選擇性。
如此，所述裝置可利用背面閘極介電質感測模式，其中介電質基板之近側表面(亦即，其上支撐有轉導材料的介電質基板之表面)變成分析物相互作用的控制向量，而轉導材料提供必要之電轉導。在此感測模式中，即使使用單一來源的原始或官能化之轉導材料，介電質材料(有機及／或無機)的選擇調變感測器反應。此策略非常適合由介電質基板、尤其是包含有機聚合物之介電質基板的陣列所建立之可印刷電子鼻。
感測裝置中的感測元件之諸多組合係可能的。例如，每一感測元件之介電質基板可包含不同的介電質材料，至少二感測元件之介電質基板可包含相同的介電質材料，兩種介電質材料之至少二者可具有不同的與目標分析物相互作用的強度，或至少一介電質材料影響裝置中之轉導的本質不同於影響另一介電質材料對轉導的本質。其他組合是可能的。
介電質基板材料在交叉反應化學感測器陣列之實施中提供額外的自由度，以運動通過「鎖和鑰匙」之傳統偵測方案。如本文所敘述的聚合物材料之廣泛調查導致於閾值電壓、磁滯和跨導方面，對於濕度和揮發性化合物具有明顯不同的標記，示範在感測應用中使用豐富之電晶體度量組的能力。如此，印刷電子鼻(printed electronic nose)可包含碳奈米管電晶體感測元件，其具有包含諸多聚合物之閘極介電質基板材料。藉由利用感測反應的正交性，達成分子識別中之改進性能，尤其是與高級資料分析結合時。
於以下詳細敘述的過程中，將描述進一步特徵或將使這些特徵變得顯而易見。應當理解，本文所敘述之每一特徵可與任何一或更多其他敘述的特徵以任何組合來利用，且每一特徵不必依賴於另一特徵之存在，除非對本領域技術人員顯而易見者。
感測裝置包含感測元件之陣列，在此感測元件的至少一者包含介電質基板，其包含根據一或更多轉導模式提供不同之感測反應的介電質材料。介電質材料可對目標分析物如何移位感測元件之費米能階有不同的影響，對目標分析物如何改變感測元件之介電環境有不同的影響，對目標分析物如何調變感應元件之肖特基能障有不同的影響及／或對目標分析物如何改變感應元件之電荷載體擴散率的不同影響。與另一感測元件中之至少一介電質基板的介電質材料相比，介電質材料與目標分析物之相互作用強度可能不同。以此方式，基板本身有助於感測功能。
介電質材料可為有機、無機、或有機／無機混合物。較佳地是，介電質材料包含聚合物。在一實施例中，介電質材料包含有機聚合物。介電質材料的一些例子係二氧化矽、氮化矽、氧化鋁、聚酰胺、聚乙烯基苯酚、聚倍半矽氧烷、聚丙烯酸酯、多氟烷烴、聚苯乙烯、聚乙烯基吡啶、纖維素衍生物、聚對二甲苯、它們的共聚物、它們的摻合物或它們的混合物。
當裝置暴露至樣本時，轉導材料在所述介電質基板上形成為暴露至目標分析物之層。轉導材料可為呈聚合物、非聚合物分子、奈米線、奈米棒、奈米管、奈米粒或其任何組合的形式。於一些實施例中，轉導材料可能對目標分析物具有滲透性。轉導材料可在感測元件中實現為至少單個奈米線、奈米棒、奈米管、或奈米粒。於一些實施例中，轉導材料可在感測元件中實現為在網絡中互連的多於二之奈米線、奈米棒、奈米管、奈米粒、或其組合。所述網絡可為隨機的或對齊之陣列。
轉導材料不須受限於一類型的材料，並可例如為碳奈米管(CNT)、矽奈米線、半導體聚合物(例如聚苯胺、聚噻吩)，及其混合物。
在一較佳實施例中，轉導材料包含CNTs。CNTs可為金屬CNTs(m-CNTs)、半導體CNTs(sc-CNTs)或其混合物。CNTs可為單壁的(SWCNTs)、多壁的(MWCNTs)、或少壁的(FWCNTs)。富含sc-CNTs之CNTs係較佳的。SWCNTs為較佳的，尤其是富含sc-SWCNTs之SWCNTs。CNTs可來自任何方便的CNT製備來源。SWCNTs可包含由HiPco、CoM℃AT、CVD、電弧放電、激光燒蝕、或電漿製程所製備之原始(平均直徑約0.6至2.2 nm)SWCNTs。sc-SWCNTs中的SWCNTs之富集作用可藉由通常已知的方法、例如分散方法、諸如那些涉及聚合物包裹之方法、例如用諸如聚芴的共軛聚合物包裹之方法來完成。再者，手性分開的sc-SWCNTs(單手性半導體單壁式碳奈米管)可用於區別感測元件，亦即，如與感測元件比較，如果半導體通道由(n1, m1)SWCNTs(在此n及m指標一般使用於文獻中，以辨識具有已知直徑及螺旋度之SWCNT)所構成，亦即，在給定介電質基板上構建的感測元件將具有不同之反應，於此半導體通道由(n2, m2)SWCNTs所構成，因為這些奈米管具有不同的電子能帶結構和能帶隙。
目標分析物較佳地係氣體、液體、蒸氣或其混合物。目標分析物較佳地係任何化合物，其充分揮發以在要使用感測裝置之溫度和壓力下形成蒸氣或氣體。目標分析物的一些範例係水分、揮發性有機化合物(VOC，例如芳烴)、胺、C1-8 烷烴、空氣污染物(例如CO、CO2 、NOx 、O3 、H2 S、SO2 、甲醛)、殺蟲劑(膦、溴甲烷)、化學戰劑(沙林、芥子氣、光氣)、溶劑(CHCl3 、苯)、工業危害物質(NH3 、AsH3 、Cl2 、HCN、SiCl4 )、疾病標記(NO、丙酮)、酒精和藥物(包括降解副產物)、或其混合物。於一些實施例中，目標分析物可為存在於蒸氣中，所述蒸氣包含周圍空氣或呼吸之成分、亦即N2 、O2 、CO2 、H2 O、以及痕量的NOx 、O3 、SO2 、CO等之混合物，在此任何成分都可用作目標分析物偵測的干擾。
為了製造感測元件，使轉導材料膜與基板(電阻器)上之電極對(單個電極電容地耦接至第二電極(電容器))、或電容地耦接至閘極電極(電晶體)的基板上之電極對帶入接觸。使用藉由旋塗、滴落塗佈、氣霧噴塗、電噴霧、凹版印刷、噴墨印刷所沉積的呈液態形式之轉導材料源、或藉由接觸轉移、電噴霧所沉積的呈乾燥形式之轉導材料源來製造轉導材料膜。使用諸如金屬蒸發和微影術的微加工製程或諸如噴墨印刷或凹版印刷之可印刷製程，於轉導材料膜之前或之後沉積電極。如果介電質材料係聚合物或無機／聚合物組合，則使用類似製程獲得用於基板或閘極電極的介電層。無機介電質更通常係從物理化學沉積方法獲得。
各個感測元件組裝成陣列，以形成感測裝置。感測陣列係感測元件之集合，至少產生至分析物(例如氣體、液體或蒸氣)之與元件數量相同的轉導信號數量，而與元件之數量、形狀和定位無關。最簡單的陣列係包含二感測元件之1×2陣列，一感測元件具有介電質基板，所述介電質基板包含與另一感測元件的介電質基板不同之介電質材料。然而，至少二感測元件可為在大於2的任何數量之感測元件的陣列中。在選擇個別感測元件之介電質材料和半導體材料以提供感應元件反應中的最大變動之處，更大的感測元件陣列係可能的。所述陣列中之感測元件的數量可為任意大的，具有2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024等最常見之配置。也可提供冗餘，這意指同一感測元件可於陣列中任意多次地呈現。
在一實施例中，感測裝置設計成對單個目標分析物具有選擇性。為此目的，所述裝置包含一系列感測元件，於此一類型之感測元件與目標分析物的相互作用強度不同於另一類型之感測元件。例如，在包含二感測元件的濕度感測器中，第一感測元件具有親水性基板，而第二感測元件具有疏水性基板。於另一實施例中，感測裝置設計成對一組目標分析物具有選擇性。為此目的，所述裝置包含一感測元件陣列，在此於所述陣列中有諸類型的感測元件，並具有與每一目標分析物不同之相互作用強度，其相互作用強度與具有每一目標分析物的陣列中之其他類型的感測元件之相互作用強度不同。
在另一實施例中，不同的介電質材料包含複數介電質材料，所述介電質材料之一對裝置中的轉導之影響的本質不同於對其他介電質材料之轉導上的影響之本質。例如，與其他介電質材料相比，介電質材料之一可對目標分析物如何移位碳奈米管的費米能階具有不同之影響，而其他介電質材料之一具有與目標分析物的相互作用強度則不同於其他介電質材料。
感測元件之陣列可組裝於合適的配置中。在電晶體配置中，可針對任意電壓範圍收集轉移特性(例如，汲極-源極電流與閘極-源極電壓之函數關係)和輸出特性(例如，汲極-源極電流與汲極-源極電壓的函數關係)。隨著感測器周圍之目標分析物濃度變化，濃度中的變化主要反映電路中之電流、電壓、或電阻的變化。分析物濃度中之變化也可使用由電流、電壓、電荷、電容或電阻資料得出的參數來跟踪。例如，當以電晶體配置操作時，以下參數(但非排他性的)可作為濃度之函數來計算並跟蹤：閾值電壓、磁滯、亞閾值斜率或擺幅、空穴和電子遷移率、ON和OFF電流、ON / OFF電流比等。
來自感測陣列的主要參數和衍生參數可收集於一組中，並使用多元分析(諸如主成分分析、部分最小平方、典型相關分析、和因子分析)進行分析，以使分析物濃度與陣列之反應組相關聯。機器學習、群聚、神經網絡、回歸、和模式識別係可實現的其他資料分析技術。
與使用包含互補介電質材料之介電質基板結合，可使用向感測元件賦予變動的其他方法。此其他方法可包括例如用化學選擇性薄膜塗覆所述轉導材料、共價或非共價地化學官能化轉導材料、用奈米粒裝飾轉導材料之側壁、將轉導材料與另一種轉導材料結合、及化學官能化所述基板或接觸電極。替代地或附加地，感測裝置中的電極材料可改變以進一步調節轉導材料之電子性質。
範例
範例 1 ：
參考圖1，感測裝置1包含轉換器陣列10，其在用作感測元件的晶片2、4、6、8上具有2×2陣列之電晶體。晶片2、4、6、8包含介電質基板，在其上沉積有藉由電導線5(僅一個標記)電連結到電觸點7(僅一個標記)的電極對9(僅一個標記)，所述電觸點7電連結到裝置1之插針12(僅標記一個)。隨著介電質基板下方的第三電極(閘極電極11(僅標記一個))，每一電極對9(源極和汲極電極)形成電晶體。晶片2、4、6、8之每一者包含沉積於基板上的sc-SWCNT層。每一晶片2、4、6、8具有基板，其包含與另一晶片2、4、6、8之基板的介電質材料不同之介電質材料類型。不同的介電質材料與一分析物或一組目標分析物的相互作用強度不同。
當以諸如圖1中所說明之電晶體配置操作時，可作為濃度的函數來計算並跟踪一或更多參數，以提供與分析物之不同相互作用強度的度量。此等參數包括、但不限於閾值電壓、磁滯、亞閾值斜率或擺動、空穴和電子遷移率、ON和OFF電流、ON / OFF電流比等。
將感測裝置之設計應用至濕度偵測，親水性二氧化矽(SiO2 )係用作一電晶體用的介電質基板，且疏水性聚(乙烯基苯酚)-聚(甲基倍半矽氧烷)(PVP-pMSSQ；Xerox xdi-dcs)係使用作為另一電晶體用之聚合物介電質基板。圖2顯示具有包含SiO2 (下描點圖)和PVP-pMSSQ(上描點圖)的基板，用於2x1電晶體陣列之電晶體閾值電壓VT (V)對相對濕度(%)的相依性。基於SiO2 電晶體用之閾值電壓隨著相對濕度的增加而降低，同時基於PVP-pMSSQ之電晶體用的閾值電壓基本上保持不變。適當選擇用作介電質基板之材料對不同的分析物會有不同之反應。
在另一範例中，藉由瞄準吸濕性而不是簡單的親水性，將感測裝置之設計應用於濕度偵測。所使用的介電基板係吸濕性之聚酰胺PA12、和吸濕性較小的聚鄰苯二甲酰胺PA6T。圖3顯示具有包含PA12(上描點圖)和PA6T(下描點圖)之基板，用於2x1電晶體陣列的電晶體閾值電壓VT (V)對相對濕度(%)之相依性。基於PA12電晶體用的閾值電壓隨著相對濕度之增加而降低，同時基於PA6T之電晶體用的閾值電壓基本上保持不變。
在另一範例中，感測裝置之設計應用於偵測三丙胺蒸氣。感測裝置包含電晶體陣列，所述電晶體陣列包含20個不同的介電質基板。介電質基板係：二氧化矽(SiO2 )；硝酸纖維素(CN)；聚(乙烯基苯酚)-聚(甲基倍半矽氧烷)(Xerox xdi-dcs)；醋酸纖維素(CA)；聚對二甲苯C(ParC)；默克D139；聚四氟乙烯(Teflon™)；聚偏二氟乙烯(PVDF)；聚鄰苯二甲酰胺6(3)T(PA6(3)T)；聚鄰苯二甲酰胺9T(PA9T)；聚酰胺66(PA66)；聚鄰苯二甲酰胺10T(PA10T)；聚酰胺69(PA69)；聚酰胺610(PA610)；聚酰胺612(PA612)；聚鄰苯二甲酰胺MXD6(MXD6)；聚(4-乙烯基吡啶)(P4VP)；聚(4-乙烯基吡啶)-聚苯乙烯10(P4VP-PS10)；氰乙基纖維素(CEC)；和派瑞林HT(ParHT)。如圖4中所視，為每一電晶體記錄遷移率(dMu(%))中之變化和閾值電壓(dVT (V))中的變化，每一電晶體的行為都不同。陣列之此種行為模式可為與用於任何一或更多電晶體的三丙胺濃度相關聯，且所述陣列用於偵測未知蒸氣樣本中之三丙胺。結果亦顯示所測試的介電質基板之任何二或更多個可用於感測裝置中，以成功地偵測三丙胺。
範例1中已顯示在裝置陣列架構中使用多數介電質材料，用於感測特定分析物之目的。每一介電質基板對不同分析物之反應不同，允許用於分析物的區別和選擇性偵測。雖然已舉例說明在濕度和三丙胺感測之應用，但原理可擴展到其他分析物的選擇性偵測。
用於範例 2-5 之材料和方法：
底部閘極電晶體的製造：將基板從塗有30 nm氧化物(或對於SiO2 基電晶體來說是1000 nm)之退化摻雜的矽晶圓上剝離下來，以消除閘極從聚合物膜中之針孔洩漏(通常不需要氧化物層，但仍被認為是可行的解決方案，以快速篩選出許多聚合物)。Si基板用作閘極電極。除了溶解在間甲酚中之尼龍和以溶液形式購買的氟化聚合物以外，大多數聚合物呈固體形式，且大部分溶解於DMF中。聚合物溶液用重量濃度(5-10%)及旋塗速率(1000-2000 rpm)旋塗，並調整以獲得200-800 nm厚度範圍中之光滑層。在旋塗期間將氣槍(設定點為100℃)定位於樣本上方顯著地改善用於DMF和間甲酚配方的薄膜形態。在塗佈之後，將樣本留在110℃的熱板上達20分鐘。脂肪族尼龍在高於其玻璃化轉變溫度下退火，並迅速冷卻以降低結晶度(如藉由霧度所視)。聚對二甲苯-C和-HT塗層由SCS(Specialty Coating Services，Kisco公司)獲得。經過與樣本緊密接觸之金屬模板遮罩，源極和汲極電藉由Ti(5 nm)和Au(100 nm)的電子束蒸發所製成。通道尺寸為1000 µm x 40 µm。碳奈米管沉積在電極頂部上(見下文)。
碳奈米管分散體：分散體由Raymor Nanotechnologies所供應之SWCNTs原料(RN-000，電漿製程，直徑約1.3 nm)所製備。我們的小組先前報導之製程由在甲苯溶劑中用共軛聚合物(聚(9,9-二十二烷基芴)，PFDD)選擇性萃取sc-SWCNTs所組成。將混合物(PFDD與SWCNTs的重量比為1.0 / 1.0，奈米管濃度為0.8 mg / mL)喇叭聲化達30分鐘(Branson sonifier 250)，隨後離心30分鐘(約18,000 g)。使用來自先前離心之沉澱物將此步驟重複5次。將矽膠(於1 mg / mL)添加至組合的五種上清液，並將混合物進行超聲波浴(Branson 2510)達40分鐘，隨後靜置3小時，且接著離心30分鐘(約18,000 g)。使用孔徑為0.2 µm之特氟龍隔膜(Sartorus Stedim Biotech)過濾上清液，並用甲苯沖洗以除去多餘的聚合物。使用超聲波浴達5-10分鐘，將所收集之sc-SWCNTs以0.48 mg / mL的濃度和2.4之聚合物與奈米管重量比分散在甲苯中。
碳奈米管沉積：以共軛聚合物包裹的SWCNTs對SiO2 介電表面(SiO2 / Si基板)具有良好之附著力，且由浸泡所製成的電晶體顯示與高ON / OFF比結合之高遷移率。然而，並非對於每一介電表面都是如此。如用於氣溶膠沉積所報告，碳奈米管對具有低表面能的材料、例如氟化聚合物呈現出微弱之附著力。為乾燥製程的氣溶膠可有效地克服所述問題。只要在電極和基板之間施加電壓(所謂的E浸泡)，也可藉由浸泡於任何材料上形成穩定的奈米管網絡。仍然需要對所述製程進行詳細研究，但是電壓之大小及其極性會影響SWCNT網絡(覆蓋率和形態)。用於小的圓形電極(半徑為0.5 mm)，在1 mm之間隙上的35 V顯現為合適的。發現較高之電壓會導致溶液中的渦旋，其有時候造成所沉積之SWCNT膜剝離。對於1 µg / mL的SWCNT濃度，沉積時間約為數分鐘(2-5分鐘)，且碳奈米管主要沉積在電極之下。對於僅浸泡就足夠的SiO2 / Si和其他表面，以>1 µg / mL進行E浸泡可在電極之下提供10至100倍之更多覆蓋率。
電氣測量。所有測量均於空氣環境中施行，或在探針台中的單個電晶體上、或於晶片載具中所安裝之數個電晶體上。雙通道源極-測量單元(Keithley™2602B)用於供應閘極和汲極-源極偏壓兩者，並以1.2 V / s的掃描率測量電晶體和洩漏電流。對於多電晶體測量，使用20通道多工器(Keithley™3706A)，以在電晶體汲極觸點之間切換，同時使源極和閘極觸點對所有電晶體通用。
在電晶體配置中，對於給定的電壓範圍，可收集轉移特性(例如，汲極-源極電流作為閘極-源極電壓之函數)和輸出特性(例如，汲極-源極電流作為汲極-源極電壓的函數)。當導入目標分析物時，感測器電路中之測得的電流、電壓或電阻也會改變。分析物濃度中之變化也可使用由電流、電壓、電荷、電容或電阻資料得出的參數來跟踪。例如，當以電晶體配置操作時，可計算並跟踪作為濃度之函數的以下參數：閾值電壓、磁滯、亞閾值斜率或擺幅、空穴和電子遷移率、ON和OFF電流、開／關電流比等。大部分聚合物薄膜的介電反應(電容和介電損耗)未經測試；如此報告了跨導(dI / dVg )、而不是遷移率。
環境測量：施行二類型之環境測試：濕度反應和揮發性化合物反應。在前者中，安裝數個電晶體，並將它們引線接合至晶片載具上，所述晶片載具放置於帶有進氣口和排氣口的小封圍件(體積大約為10 mL)內側。使用在100 sccm之流速的壓縮空氣，以市售濕度產生器(GenRH-Ambient，表面測量系統)產生於10%至70% RH之間的潮濕空氣。在進行電測量之前，濕度以5%的增量步進並穩定下來。於電測量期間，每一電晶體係連續地偏壓，且掃描閘極電壓以獲得完整之傳送曲線。在加濕步驟之間，電晶體保持接地。使用市售感測器(Sensirion™SH11)於樣本室監控RH和溫度。
在蒸氣感測實驗中，四個手動控制的起泡器與隨同旁路管線(SI)平行地安裝。使用小型隔膜泵以500 sccm將室內空氣供應到歧管。於測量系列中，旁通閥保持連續打開，同時每一含液體的起泡器相繼地打開，以將蒸氣供應至封閉之樣本探針台。旁通管線和起泡器管線中的平行氣流確保在手動打開／關閉閥門期間將氣流中斷降到最低。由5 mL小瓶所組成之起泡器，所述小瓶的塑料蓋上安裝有用於蒸氣入口和出口之同心黃銅管。發現設置在液體上方(而不是起泡進入液體)的入口管足以提供足夠之分析物供偵測。於類似的測量條件之下，據估計使用6 sccm的甲醇氣流會導致ppm級暴露。我們可估計，以具有最高蒸氣壓之液體(丙酮)達成高ppm級暴露。用於胺液體，準備了與甲苯的稀釋混合物，以使電晶體之反應達到與其他蒸氣類似的大小。用於TPA、TEA、IBA、和dIBA之分壓為0.02 mmHg的溶液顯現足以用於本實驗。此低水平可對應於在低ppb水平之劑量。
範例2：
施行實驗以識別電子上合適的聚合物介電質材料，於此界面和在介電質基板內之物理和化學製程係最小化，且其產生很小的閘極磁滯，同時於碳奈米管網絡場效應電晶體(CNN-FET)底部閘極配置中具有出色之時間穩定性。
在第一組實驗中，於不同的閘極介電質上施行所構成之CNN-FET上的濕度循環。作為典型之碳奈米管電晶體，圖5顯示沉積在1000 nm厚SiO2 介電層上的sc-SWCNT滲濾網絡之電特性如何受到正常空氣環境中的變動相對濕度(RH)所影響。於這些實驗中，在電晶體保持電氣接地之同時逐步使相對濕度(RH)穩定下來，隨後以設定的RH值進行測量。圖5(a)中之三條傳送曲線顯露於20%和60%RH之間循環時的適度變化。值得注意的是，由於所施加之閘極偏壓和厚介電層(1000 nm SiO2 )的較小範圍，反向(r掃描(rev)、朝最小(Vg )和正向(f掃描(fwd)、朝最大Vg ))掃描之間的磁滯(hys)是逆時針方向且相當小的。定性地，曲線顯示增加之跨導(dI / dVg ，在累積狀態中的I對Vg 之斜率，| Vg -Vt |> 0)，隨著濕度下降至20%而閾值電壓(Vt )的正向偏移。圖5(b)和圖5(c)繪製從線性擬合獲得的二參數，它們係用於連續十個週期之RH的函數。資料的分散程度充分小，無法清晰地識別趨勢。對於r掃描和f掃描，Vt 之偏移顯著地不同，使f掃描最初不受RH從60%降低到40%的影響，而r掃描呈現大的偏移。RH低於40%時，觀察到相反之情況，在此r掃描受RH降低的影響最小。因此，於Vg 磁滯中觀察到顯著最大之顯著約為40-50%。有趣的是，跨導鏡射Vt ，在此r掃描最初與RH無關，隨後線性增加至RH低於40%。對於兩個掃描方向，跨導在20-60%RH範圍內增加約50%。本結果遵循在單個奈米管電晶體中觀察到之總體趨勢。
以同樣的方式調查總共43種聚合物，且圖6突出顯示一些顯著特徵。於所有情況下，用於sc-SWCNT網絡之沉積方法以類似的電流位準確保良好之表面覆蓋率。為了能夠進行某種程度的比較，在可能之處，將聚合物膜的厚度保持在400 nm左右，並調整Vg 掃描範圍以部分考慮厚度和介電常數中之差異。對於某些聚合材料(硝酸纖維素、聚對二甲苯HT)，碳奈米管附著力似乎顯著地更有效率，而對於其他聚合材料(低表面能聚合物PVP-pMSSQ，Merck D139，Teflon™AF)，需要更長的沉積時間才能達到類似之電流值。對於後者，必須進行靜電輔助沉積(E浸泡)以達成足夠的膜附著力，且乾燥時不會剝離。
相對於所測量之磁滯，碳奈米管網絡電晶體可分為三大類：前進、滯後、或自由。當空間電荷或極性部分的配置為靜態或動態跟踪所施加之閘極偏壓時，獲得無磁滯的傳送特性。在聚合物調查中，識別十幾種聚合物介電質，它們落入無磁滯類別，包括氟化聚合物(Teflon™AF、Merck D139、Parylene HT)、芳族尼龍(聚對苯二酰胺)、PVP-pMSSQ和Parylene C。用於Merck D139和PVP-pMSSQ之資料顯示在圖6(a)中，且實際上在所測試的RH水平下顯示無磁滯痕跡。對於具有直接暴露至周圍空氣之碳奈米管的電晶體，只在如果水、氧氣及可能之其他氣體可排除在緊鄰的奈米管環境之情況下才有可能。對於親水性SiO2 ，水／氧的氧化還原偶及溶解之離子物質會引起圖5中所視的滯後磁滯現象。呈現類似特性之聚合物介電質包括P4VP、P4VP-PS10、和Nylon™MXD6。
介電質可具有能歸因於機動官能團和富電子化學鍵的顯著極化性。儘管這產生增加之介電常數，且如此在那些電晶體中產生低操作電壓，其通常導致大的提前磁滯現象，最極端之情況是鐵電材料。脂肪族尼龍(聚酰胺)、PVDF和纖維素變體(氰基乙基)係具有慢極化材料的範例。當那些材料用作CNN-FETs之閘極介電質時，反向掃描正推進正向掃描。於此在圖6(a)中呈現資料，其顯示來自乙酸纖維素的提前磁滯現象。除了用於記憶體應用之外，那些聚合物大致上不考慮使用於電子部件中、尤其是用於電晶體。然而，本資料顯示此等聚合物對於氣體感測可為非常有用，並可為由聚合物介電質的互補組所構成之感測器陣列的不可分割部分。
在第二組實驗中，決定所調查聚合物以局部區別分析物之能力。隨後於圖5中所呈現的分析，圖6呈現在三種不同聚合物介電質上製成之電晶體對周圍空氣中的變動濕度水平之電反應。前二個、即Merck D139和PVP-pMSSQ係疏水性聚合物，分別具有大的水接觸角為109°和89°。兩者均在10%至65%RH之範圍內呈現閾值電壓的單調變化，幅度對於Merck D139為最小，但與SiO2 並無顯著差異。然而，對於跨導而言，在乾燥機之周圍空氣下，二聚合物對親水性SiO2 而言顯示出減少而不是增加。與PVP-pMSSQ(-1%/%RH)相比，變化顯著為線性的，且對於Merck D139(-0.4%/%RH)而言也不太明顯。據信水分子之相互作用直接發生在奈米管的表面，或更可能發生於溝槽和間隙吸附部位。因此，相對於RH之小變動可歸因於藉由中間奈米管環境中的極性分子之介電篩選、增加的介電常數之同等物。室溫可逆性支持涉及弱凡得瓦相互作用的情況。
對於具有超前磁滯之聚合物獲得最引人注目的結果。在圖6(b)中，呈現用於醋酸纖維素(52°接觸角)之資料。隨著RH從65%下降，大的磁滯迅速縮小到抵達35%RH附近之0 V，且傳送特性在低至10%RH時保持無磁滯。同時，跨導顯著地下降(對於f掃描，跨導下降七倍)。與SiO2 相比，醋酸纖維素可很容易地脫水和水合，可逆地是作為連續的RH循環說明(資料未顯示)。於水合狀態中，極性部分和水分子更顯著地有助於超前磁滯。在準靜態模式下進行實驗，於此有足夠之時間(在10%RH增量之間有15分鐘)以使聚合物與其環境平衡。
於聚合物的調查中，特別注意閾值電壓，以期在沒有封裝層之情況下於Vg = 0 V時抵達電晶體的耗盡操作模式。圖7和圖8中之資料顯示具有Vt >0的電晶體之數個範例。已識別聚合材料的子集(尼龍、P4VP、醋酸纖維素)，並就印刷電子裝置之情況而言可進一步考慮，而不是氣體感測器。
範例 3 ：
上述周圍空氣中的碳奈米管電晶體上之濕度水平的影響提供明確之證據，表明介電質基板材料的選擇會影響氣體感測反應。為了進一步示範，將建立於不同聚合物介電質上之一組電晶體暴露至諸多揮發性化合物蒸氣。在此第二組實驗中，於脈衝分析物的同時連續獲取測量值。選擇之結果呈現在圖9和圖10中，於此在將蒸氣與周圍空氣混合的同時連續獲取傳送特性。如圖9(a)中所示，傳送曲線之線性部分擬合以實時提取Vt 和dI / dVg 。閘極掃描的持續時間為7 s，且暴露至分析物之時間約為35 s。
圖9中的四個範例包含上述三個磁滞行為。圖9(b)中之用於SiO2 的時間跟蹤表明用於極性溶劑和乙酸(10%，醋)之Vt 的上頻移，及用於二胺(三丙胺和二丁胺)之Vt 的下頻移，其指出酸／鹼對Vt 有影響。在所有情況下，所述反應都是可逆的，且觀察到快速恢復，除了二胺於5-10分鐘之後使Vt 返回至其原始值以外。與在室溫下操作的其他CNT感測器相比，此種恢復效果很好。連續掃描方法也可能有助於將電晶體重置為其原始周圍空氣值。對於dI / dVg ，在圖9中觀察到所有8種分析物之減少。對於甲醇、異丙醇、和丙酮，恢復動力學顯示二組分，快速組分佔恢復率的70%。在Vt 之跟蹤上看不到幾分鐘之內的緩慢恢復。在基於SiO2 之CNN-FETs上看到的信號之互補性揭示了可從電晶體度量獲得的大量信息。與所跟踪之電阻變化和時間動態的化學電阻相比，至少四個和多達八個電晶體參數及其各自之動態為揮發性化合物感測提供良好的度量：Vt 、dI / dVg 、dlog(I)/ dVg 、IOn / IOff ，主要來自p型轉導，但也可能來自n型。
圖9亦呈現從建立在三種聚合物介電質上之電晶體獲得的資料集。PVP-pMSSQ之甲基化倍半矽氧烷位於暴露的表面，為疏水性聚合物，且如從圖6中之濕度反應所預期，顯示與SiO2 對極性溶劑和乙酸的反應明顯不同。對於所有揮發性化合物，Vt 中之偏移與SiO2 的符號相反，除了甲苯和胺以外，在此觀察到類似之上頻移。對於甲醇，反應和恢復均比用於SiO2 者慢。對於PVP-pMSSQ，二胺蒸氣的恢復也較慢。用於PVP-pMSSQ之跨導呈現出一些對比圖案。對於SiO2 ，觀察到所有八種分析物的dI / dVg 均下降，而對於PVP-pMSSQ，觀察到甲醇、水和乙酸之dI / dVg 增加。有趣的是，二醇、甲醇和異丙醇具有相反之dI / dVg 變化。
圖9中的第二聚合物係具有前進之磁滯的聚酰胺(脂肪族PA66)。除了業已針對PVP-pMSSQ和SiO2 突出顯示之一些要點以外，用於PA66的r-掃描和f-掃描顯示用於甲醇、水、和乙酸之Vt 的相反偏移，而用於八種分析物之dI / dVg 處於同相狀態(減少或增加)。聚酰胺(脂肪族尼龍)對甲醇特別靈敏，但對丙酮則不太靈敏。此高靈敏度可歸因於甲醇與尼龍結構、具體地是與–NHC(= O)–基團形成氫鍵的能力。另一方面，芳族尼龍(PA6T、PA10T、PA6(3)T和MXD6)對甲醇沒有顯示此高靈敏性，這可能是由於聚合物之更緻密包裝所致。
圖9中的第三種聚合物係Merck D139，其係疏水性氟化聚合物，其水接觸角比PVP-pMSSQ還要大。顯然地，氟化聚合物之不同化學本質(Merck公司，專有產品)仍然對八種分析物給予顯著不同的CNN-FET反應。它基本上對甲醇和水沒有反應，但是在暴露至乙酸時顯示出明顯、不可逆的Vt 下頻降以及dI / dVg 之增加，暗示與介電質的強親和力。
範例 4 ：
由於其對CNN-FET反應的顯著影響，胺、尤其是氨已成為原型分析物。研究一組五種胺：三乙胺(TEA)、三丙胺(TPA)、異丁胺(IBA)、二異丁胺(dIBA)、和2-乙酰基-3,5(6)-二甲基吡嗪(AdMPyr)。以所有經測試之閘極介電質，觀察到Vt 的負向偏移與來自胺之電子轉移以及跨導的減少一致。對於給定之蒸氣分壓(0.02 mmHg，藉由用甲苯稀釋胺進行調整)，對二叔胺(TEA和TPA)的反應幅度相似，但比仲胺dIBA大兩倍。伯胺IBA大致上呈現輕微較小的反應。這些胺相關之結果可在圖9(b)中用圖10所呈現的補充資料集觀察到。由於蒸氣壓力非常低，AdMPyr只引起電晶體反應中之微小變化。胺感測中的最顯著差異來自反應時間。大致上，叔胺之恢復較快，且時間尺度取決於聚合物介電質。在圖9(3b)中，SiO2 對TPA的反應最快，而Merck D139在所有四種介電質中最慢。類似於石墨烯化學電阻，可使用不同之時間反應來區分分析物類別和子類別。甚至更有效的化學鑑別方法可來自多數實時電晶體陣列標記之資料分析。
範例 5 ：
所調查的聚合物介電質數量與所測試之分析物數量總計超過400條電晶體曲線和至少兩倍的時間跡線。自動感應之努力與針對大型資料集的分析方法(諸如機器學習)相結合將加快材料篩選過程。雖然如此，圖11捕獲聚合物介電質之間觀察到的顯著行為。相對於三丙胺(標為「R」)之定性結果已被標準化，具有較淺／更深的正方形，根據Vt 和dI / dVg 中之變化而反映較弱／更強的反應(僅考慮幅度，而不考慮符號變化)。胺代表很好之參考，因為它們經過直接電荷轉移(除了上一段中所述的細節之外)影響CNN-FETs，所述電荷轉移在很大程度上與下面的介電質無關。重要的是要注意，周圍空氣只是被溶液沖洗，有時候蒸汽壓差會超過十倍。於更嚴格之實驗中，以已知的分析物濃度進行配量將能夠全面評估靈敏度和交叉選擇性。
從圖11可看出，當考慮所有測試之閘極介電質材料時，幾乎所有調查的揮發性化合物都會產生不同之標記(列)。此行為形成交叉反應化學感測器陣列的基礎，在此與嗅覺系統類似，透過在諸多非特定感測器元件上之型樣匹配可進行化學識別。於此，烷烴和甲苯在廣泛的介電質組上方產生較弱之信號，而極性分子(諸如丙酮、四氫呋喃和異丙醇)之標記大致上與TPA相當，除了PVDF對前者的反應有所增強。如稍早所論及，甲醇之標記是脂肪族尼龍的熱點。甚至與電晶體參數(跨導、閾值電壓、亞閾值斜率、及它們對分析物暴露之時間相依性等)相關的更多自由度可用於型樣識別，而不是將因素複雜化為一般反應。
感測器對分析物之反應和特異性來自裝置轉導過程中的變動。於電晶體中，可能有四種引起轉導信號調變之原因：溝道材料中的費米能階之偏移、在電極處的肖特基能障之修改、溝道材料附近的介電容率之變動、及載流子於溝道材料中的散射變化。在沒有分析物之情況下，經過不同聚合物的物理化學本質，取代基板介電質不僅會影響閘極電容，而且更重要的是會影響溝道材料之費米能階。在給定的環境下，大氣干擾(即水)和分析物之界面電荷俘獲和結合親和力中的變動，經過氧化還原過程及／或靜電作用修改溝道材料之化學勢。分析物的比相互作用強度中之變動也會干擾介電環境，於此介電容率會藉由分子位移和方位變化、或藉由塑化所述介電界面而修改。對於SWCNTs，那些涉及分析物和聚合物介電質的間接製程對電子轉導有重大影響。此屬性可能不是SWCNTs獨有的，但效果顯著，因為已知一維靜電屏蔽會大幅減少。在大多數情況下，應將分析物與碳奈米管之直接相互作用與聚合物基板的間接作用相迴旋。把碳奈米管基本上裸露地留在基板上將確保最佳之反應時間。可存在基板材料(低k和超低k)，它們會模仿於獨立膜中所發現的條件，並因此會最大化來自SWCNTs之相對貢獻，這是當官能團添加到奈米管側壁時的期望情況。
範例說明如何可在電子感測裝置中、尤其是於底部閘極配置中之碳奈米管網絡場效應電晶體(CNN-FET)中利用界面介電質基板材料的角色。介電質基板之利用作為分析物相互作用的主向量延伸超出關於濕度反應之親水／疏水二分法。所述範例識別電子合適的聚合物介電質材料，在此於界面處和介電質基板內之物理和化學製程被最小化，且幾乎沒有閘極磁滯，同時具有出色的時間穩定性、尤其是在碳奈米管網絡場效應電晶體(CNN-FET)底部閘極配置中。
再者，相對於其濕度磁滯行為，聚合物介電質可分為三類。對於氣體感測器，聚合物閘極介電質可用於區分感測器元件，且因此可利用於交叉反應化學感測器陣列中以進行分子識別，在此產生大磁滯之聚合物閘極介電質係用於分析物區分的附加資產，並作為感測器陣列的不可或缺部份。所述範例已系統地比較在諸多聚合物介電質之上構建的CNN-FET之反應，首先使用SiO2 作為標準參考，然後在變動的濕度條件下對大量揮發性有機化合物(VC)進行反應。聚合物區分之感測元件反應中出現的標記顯示其適用於印刷電子鼻。
通過檢查說明書，新穎之特徵對於本領域具有通常知識者將變得顯而易見。然而，應當理解，申請專利的範圍不應藉由實施例所限制，而應當給出與申請專利範圍和說明書整體上之措詞一致的最廣泛之解釋。
1:感測裝置 2:晶片 4:晶片 5:電導線 6:晶片 7:電觸點 8:晶片 9:電極對 10:轉換器陣列 11:閘極電極 12:插針
為了更清楚地理解，現在將參考附圖通過範例詳細敘述較佳實施例，其中：
圖1描繪使用具有由不同介電質材料所製成的基板之感測器元件陣列來進行分析物偵測的感測裝置。
圖2描繪曲線圖，其顯示用於具有包含SiO2 (親水性)和PVP-pMSSQ(疏水性)之基板的成對感測元件之電晶體閾值電壓VT (V)對相對濕度(%)的相依性。
圖3顯示曲線圖，其顯示用於具有包含聚酰胺、PA12(吸濕性)和聚鄰苯二甲酰胺、PA6T(吸濕性較小)之基板的成對感測元件之電晶體閾值電壓VT (V)對相對濕度的相依性。
圖4描繪一描點圖，顯示包含不同介電質基板之一系列電晶體對三丙胺蒸氣的反應，其左側軸具有遷移率(dMu(%))中之變化，而底部軸具有閾值電壓(dVT (V))中的變化。
圖5描繪曲線圖，其顯示在SiO2 閘極介電質基板上之碳奈米管網絡電晶體的性能，在此(a)顯示於歸一化為60%RH之三個相對濕度(RH)水平下所取得的轉移特性，且圖5(b)和圖5(c)顯示電晶體閾值電壓和跨導之RH相依性。顯示從10%到60%之間的多數濕度循環之資料。
圖6描繪曲線圖，其顯示在三個聚合物閘極介電質基板上的碳奈米管網絡電晶體之性能，於此(a)顯示在三個相對濕度(RH)的水平下所取得之轉移特性，且圖6(b)和圖6(c)顯示用於圖6(a)中的三種聚合物之電晶體閾值電壓和跨導的RH相依性。
圖7描繪曲線圖，其顯示與SiO2 閘極介電質基板相比，用於在一系列聚合物閘極介電質基板上之碳奈米管電晶體的轉移特性。
圖8描繪曲線圖，其顯示與PVP-pMSSQ閘極介電質基板相比，用於在一系列尼龍閘極介電質基板上之碳奈米管電晶體的轉移特性。
圖9描繪曲線圖，其顯示暴露至揮發性化合物之碳奈米管網絡電晶體的性能。圖9(a)顯示與SiO2 相比用於三種聚合物介電質PVP-pMSSQ、PA66、和Merck D139之轉移特性，使箭頭指示閘極掃描方向，且黑線係從粗體灰色中所指示的轉移特性之一區段提取的線性擬合。圖9(b)顯示在暴露至八種揮發性化合物(甲醇(MeOH)、水(H2 O)、醋、異丙胺(IPA)、丙酮、三丙胺(TPA)和二異丁胺(dIBA))時，電晶體閾值電壓和跨導之時間相依性。從線性擬合提取參數，如圖9(a)所說明，每7秒獲取一個資料點。
圖10描繪曲線圖，其顯示暴露至四種揮發性液體胺(三丙胺(TPA)、二異丁胺(dIBA)、異丁胺(IBA)、和三乙胺(TEA))時具有不同閘極介電質的六個電晶體用之電晶體閾值電壓和跨導的演變。
圖11描繪一表格，其總結在暴露至揮發性化合物時之復合電晶體反應。基於與三丙胺(R)相比的反應，資料以從白色(顯著較低)到深色(顯著更高)之三種色彩濃度呈現。虛線正方形尚未測量。介電質材料根據周圍空氣中的磁滯現象進行分組：落後、自由和前進。
1:感測裝置
2:晶片
4:晶片
5:電導線
6:晶片
7:電觸點
8:晶片
9:電極對
10:轉換器陣列
11:閘極電極
12:插針

Claims (31)

  1. 一種用於感測氣體、液體或蒸氣樣本中的目標分析物之電子裝置，該電子裝置包含至少二感測元件，每一感測元件包含支撐在介電質基板上的轉導材料之暴露層，其中該等感測元件的至少其中一者的介電質基板與該等感測元件之至少另一者的介電質基板係包含不同的介電質材料，該等不同的介電質材料根據一或更多轉導模式（transduction mode）來提供不同的感測反應。
  2. 如請求項1所述之電子裝置，其中該一或更多轉導模式包含以下的一或更多個：該感測元件之費米能階的偏移；該感測元件之肖特基能障的調變；該感測元件周圍之介電環境中的變化；及該感測元件之電荷載體擴散率中的變化。
  3. 如請求項1或2所述之電子裝置，其中該等介電質材料的至少其中一者影響該感測元件中之轉導的本質係不同於影響包含另一介電質材料之另一感測元件中之轉導的本質。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之電子裝置，其中該等介電質材料的至少二者具有不同的與該目標分析物相互作用的強度。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之電子裝置，其中該等介電質材料係有機、無機或有機／無機混合型。
  6. 如請求項1至5中任一項所述之電子裝置，其中不同的該等介電質材料的至少一者包含二氧化矽。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之電子裝置，其中不同的該等介電質材料的至少一者包含有機聚合物。
  8. 如請求項7所述之電子裝置，其中該有機聚合物包含聚酰胺、聚乙烯基苯酚、聚倍半矽氧烷、聚丙烯酸酯、多氟烷烴、聚苯乙烯、聚乙烯基吡啶、纖維素衍生物、聚對二甲苯，及其共聚物或混合物。
  9. 如請求項1至4中任一項所述之電子裝置，其中不同的該等介電質材料係第一及第二有機聚合物介電質材料，且具有該第一有機聚合物介電質材料的基板之感測元件的數量大於或等於具有該第二有機聚合物介電質材料之基板的感測元件之數量。
  10. 如請求項9所述之電子裝置，其中該第一及第二有機聚合物介電質材料的每一者包含聚酰胺、聚乙烯基苯酚、聚倍半矽氧烷、聚丙烯酸酯、多氟烷烴、聚苯乙烯、聚乙烯基吡啶、纖維素衍生物、聚對二甲苯，及其共聚物或混合物。
  11. 如請求項1至10中任一項所述之電子裝置，其中該目標分析物係濕度，且該等介電質材料之一者係親水性的，而該等介電質材料之另一者係疏水性的。
  12. 如請求項1至10中任一項所述之電子裝置，其中該目標分析物係濕度，且該等介電質材料之一者係吸濕的，且該等介電質材料之另一者係非吸濕的。
  13. 如請求項1至12中任一項所述之電子裝置，其中該轉導材料包含聚合物、非聚合物分子、奈米線、奈米棒、奈米管、奈米粒，或其任何之組合。
  14. 如請求項1至13中任一項所述之電子裝置，其中該轉導材料包含碳奈米管、矽奈米線、半導體聚合物，或其混合物。
  15. 如請求項1至13中任一項所述之電子裝置，其中該轉導材料包含碳奈米管。
  16. 如請求項1至13中任一項所述之電子裝置，其中該轉導材料包含單手性半導體單壁式碳奈米管。
  17. 如請求項1至16中任一項所述之電子裝置，其中該轉導材料實施為每一感測元件中的至少有單個奈米線、奈米棒、奈米管或奈米粒。
  18. 如請求項17項所述之裝置，其中超過二奈米線、奈米棒、奈米管、奈米粒或其組合實施為每一感測元件中的互連網絡。
  19. 如請求項17項所述之裝置，其中該網絡係奈米線、奈米棒、奈米管、奈米粒、或其組合的隨機或對齊列陣。
  20. 如請求項1至19中任一項所述之電子裝置，其中該轉導材料對於該目標分析物是可滲透的。
  21. 如請求項1至20中任一項所述之電子裝置，其中至少二該等感測元件係在大於2的任何數量之感測元件的陣列中。
  22. 如請求項21項所述之電子裝置，其中該等感測元件的每一個之介電質基板包含不同的介電質材料。
  23. 如請求項21項所述之電子裝置，其中該等感測元件的至少二者之介電質基板包含相同的介電質材料。
  24. 如請求項1至23中任一項所述之電子裝置，其中該感測元件包含電阻器、電容器、二極體、電晶體、電化學電池或其組合。
  25. 如請求項24項所述之裝置，其中該電阻器為化學電阻器。
  26. 如請求項1至23中任一項所述之電子裝置，其中該感測元件包含電晶體。
  27. 如請求項1至26中任一項所述之電子裝置，其中該目標分析物係揮發性有機化合物、胺、C1-8 烷烴、空氣污染物、殺蟲劑、化學戰劑、溶劑、工業危害物、疾病標記、酒精、藥物，或其混合物。
  28. 一種用於感測氣體、液體或蒸氣樣本中的目標分析物之方法，該方法包含： 將如請求項1至27中任一項所界定之電子裝置暴露至含有該目標分析物的氣體、液體、或蒸氣樣本；及， 根據一或更多轉導模式，測量該至少二感測元件之間的不同感測反應。
  29. 如請求項28項所述之方法，其中該樣本係包含周圍空氣或呼吸的成分之蒸氣混合物，在此該成分的至少一者充當對該目標分析物偵測之干擾。
  30. 如請求項29項所述之方法，其中該電子裝置以電晶體模式操作，並可作為目標分析物濃度的函數來計算並跟踪閾值電壓、磁滯、亞閾值斜率或擺幅、空穴和電子遷移率、ON和OFF電流、ON / OFF電流比之一或更多項，以提供該裝置與該目標分析物的不同相互作用強度之測量。
  31. 如請求項28至30中任一項所述之方法，更包含在將該電子裝置暴露至該樣本之前，使該樣本遭受製備步驟。
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