TW297952B - - Google Patents

Description

A7 B7 五、發明説明（ 相關申請案 本案已於1995年6月28日申請美國專利，申請案號爲 08/496,269。 發明領域 本發明係關於感測器，特別係關於生化感測器。 發明背景 近來對感測器將有極大的需求，特別是能夠感測生物及 /或化學物種的感測器。目前，具有這類功能的感測器相 當難以製造，因此非常昴貴。 大多數已知的感測器都利用具有改變特徵的材料，諸如 電阻量的改變。感測器也需加入能夠利用（感測）改變特徵 的電子電路。例如，一層材料薄膜可與惠斯登電橋型裝置 合用，來感測化學品，無論是液態或氣態，所造成的電阻 變化。問題在於，一般都需要某種型式的放大作用，好使 感測器的感應作用足以成爲實際可用的範園。 因此’若能提供一種極度敏銳而且造價相當低廉的感測 器，將有極大的效益。 因此’本發明的一個目的是提出一種新穎、改良的生化 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本I)

,1T 感測器。 本發明另一個目的是提出造價相當低廉的生化感測器。 本發明尚有另一目的是提出一種極度敏銳的改良式生化 感測器》 本發明尚有另一目的是提出一種可靠性更高'包裝限制 放寬的改良式生化感測器。

經濟部中央標準局貞工消费合作社印装 A7 --------- —___— B7 五、發明説明（Τ~ϊ "---- 本發明尚有另一目的是提出—種可以輕易地清除感應之 生物或化學物種的改良式生化感測器。 本發明尚有另一目的是提出一種可用以感測多許生物和 化學物種、光或運動的改良式感測器。 本發明尚有另一目的是提出一種可以輕易加上各式補償 技術以容讓感測器之自然變化的改良式感測器。 發明的簡要説明 、本發明提出一種化學感測器，包括一個具有位在侧面上 之閘極的薄膜電晶體，在另一側面的絕緣層上並有一顯示 膜，大致與閘極相對，至少已可部份解決以上的問題，並 達成上述的目的。生物或化學物種改變了電晶體的通道電 流，因此在顯示膜内形成感應電荷，或電荷位移。於是需 使用閘極上的電位來恢復通道電流的變化。用來恢復電流 變化的電位可以非常敏銳地度量感應電荷。 在另一個實施例中，顯示膜是一層光感應膜，光可以在 其内感應電荷，或使電荷移位。同時，利用對光信號具有 差變反應的生化物質細菌視紫質，作爲顯示膜，即可作成 —個運動感測器。 附圖的簡要説明 囷1是本發明實施例之一生化感測器的簡化橫剖面圖。 圖2是本發明另—實施例生化感測器的簡化橫剖面圖。 較佳實施例的詳細説明 圖1是本發明一個生化感測器1〇的實施例簡化的橫刻面 圖。感測器10包括一個薄膜電晶體15，在一側面上有一絕 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .装· 訂

經濟部中央標準局貝工消費合作杜印装 ______B7 五、發明説明（3 ) 緣閘極16。在薄膜電晶體15的另一側面上有一顯示膜17， 大致與閘極16相對。在閘極16的兩侧分別形成了源極端子 18和汲極端子19，作爲電晶體15的一部份，在兩者之間的 半導體層20則成爲電流通道25。同時，閘極16和顯示膜17 係位在半導層20相對的兩邊。 在圖1的實施例中，有一支持基板26,在支持基板26的 一個表面27上也制定有一層導電材料，定義出閘極16。支 持基板26可以是任何合用的材料，在本實施例中則是一面 玻璃。大家都瞭解’通常閘極16會有通往外界的接線，但 爲了方便説明的緣故，在圖1中並未畫出這些外界接線。 當閘極16制定圖案時，可以同時形成這些外界的接線，而 且通常都通往支持基板26上其他可及的區域。 在閘極16上沉積一層絕緣層28，可以是任何合用的材料 ，例如氮化矽（SiNx)或其他。在絕緣層28上分開的兩個區 域32和33 ’再沉積一層導電材料31 β分開區域32和33是在 側迻方向上彼此分開，並位於閘極的兩邊，定義出源極端 子18和汲極端子19的位置β在區域32和33的導電材料31上 ’沉積一層半導體材料35,然後在半導體材料35和絕緣層 28上沉積一層半導體層20，形成電流通過25。導電材料31 和半導體材料35係經過選擇，在源極端子18和汲極端子19 上，分別與半導體層20形成歐姆接觸。 一般説來，薄膜電晶體15可以用任何已知材料系統作成 ，例如氩化非晶矽（a-Si:H)、非晶矽（a-Si)、複晶矽、硒化 每（CaSe)、有機半導體，或其他。舉一特定的例子，半導 ____ _ 6 - 本紙張尺度賴巾關家轉（CNS) A4规格（210><297公廣） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -装· 訂 經濟部中央梂準局員工消費合作社印製 A7 _B7 五、發明説明（4 ) 趙層20是由氫化非晶梦形成’而半導體材料35是由捧雜並 具有良好N+型導電性和氫化非晶碎作成β絕緣層28可用 任何匹配的材料作成，在此特定例子中，係用氮化梦 (SiNx) »導電材料31和閘極16可以是任何合用的金屬，或 者其他合用的導電材料。 在半導體層20上方定義出一個上表面40，大致位於閘極 16之上。由圖中可知表面40是一個稍梢下凹的區域，位在 半導體層20之上，但應可瞭解在某些特定的實施例中，上 表面也可以是平坦的。一般説來，表面4〇與絕緣層28之間 的距離是經過選擇的，以便使電晶體15能夠正常操作，正 如熟悉此技藝之人士所熟知的。當半導體層2〇係保形地沉 積，表面40與絕緣層28之間的距離即由半導體層2〇的厚度 決定，而其上表面就如圖1所説明的。 半導體層20的上表面，特別是表面4〇的上方需沉積—層 絕緣層42。絕緣層42可以是一層成長在半體層20表面上的 氧化秒，或者由絕緣層28—樣的材料作成，或以其他合用 的絕緣材料作成》在本説明書中，所謂「沉積」包括任何 已知可以在一層材料上形成另一層材料的方法。然後在絕 緣層42的表面40上沉積顯示膜17。舉例來説，顯示膜17可 以是_種生化材料’例如諸如铑基材料之類的有機金屬合 成物’或者各種對生物物種極其敏感的抗體層。同時，在 其他的配置中，顯示膜17可以也是光感應層，包括有機或 無機光二極體材料《此外，利用對光信號具有時間導函數 反應的海菌細菌視紫質，即可輕易地作成一個運動感測器 ___ ____— 一 ___- - 7 _ 本紙張尺度制悄财料（~ ^-装 訂 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 ___B7 五、發明説明（5 ) 在感測器10的某些應用上，感應的材料或物種全附著在 顯示膜17上，藉由吸收、電性吸力、化學鍵結或其他現象 (視膜17和感應的材料而定），並在顯示膜17内造成感應電 荷或電荷移位。當感測器10作爲光電晶體時，顯示膜17會 對撞擊其上的光線很敏感，而在其内感應出電荷來。因爲 顯示膜17與通道25並排，它的作用就有如電晶體15的閘極 或控制端子。因此，顯示膜17内的感應電荷或電荷移位就 會使得通道25中的電流產生變化 '然後在閘極16上就施加 一個電位來恢復通道25内的電流變化。因此可以使用閘極 16上的電位作爲度量的刻度，或以其他方式，作爲極其敏 銳的感測器或度量，可以感測材料、物種或事件。 除了使用閘極17來度量或顯示製程，閘極17也使感測器 10的基底線得以穩定。一般説來，薄膜電晶體很容易發生 臨界電壓偏移（在Γ良好」的裝置中可以在1至2伏之間）， 因而產生基底線的偏移。感測器10在幾方面上可以輕易地 用來克服這些基底線的偏移。例如，可以週期性地將顯示 膜17暴露在「潔淨的環境」中，使閘極17上的電位可被調 整’以清除任何的通道電流。在另外的例子中，可以利用 感測器ίο的差變對，並使其中—個感測器的顯示膜17加以 保護著。既然兩個感測器10的基底線偏移幾乎—樣，來自 參考感測器1〇(加以保護的顯示膜17)的信號就可用來補償 另一感測器10的任何變化。 在某些應用中（大致視感測材料和顯示膜17而定），可以 ___ - 8 · 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS) A规洛（210χ297公楚) ------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .装 A7 ------- 五、發明説明（6 ) ::極16施加一個大電位’將感測器10清除或更新。這個 大電位必須與所感測材料上任何淨電荷在有_樣的 ^且-般相對於料荷來説均大到足以將所感測材料由 顯不膜17斥開。例如，如果感測到的是正離予，淨電 是每個離子上的電荷。這種清除或更新感測器ig的新顆方 法極具功效，因爲它可以直接在感測器1〇所在位置上 ’不花額外的力量。 囷2説明本發明生化感測器！ 〇，實施例的簡化橫剖面圖。 在這個實施例中，相同的組件都標上與圖丨一樣的編號， 而且所有的编號都加上一個斜撇符號，代表不同的實施例 。感測器10’包括一個薄膜電晶體15,，在一個侧面上有一 閘極16、在電晶體15,的另一侧面上有一層絕緣層17，，大 致與閘極16’相對。閘極16,的兩侧形成了源極端子18，和汲 極端子19’ ’作爲電晶體15’的一部份，在其間的半導體層 20·形成了電流通道25，。同時，閘極16，和顯示膜17ι也位在 半導體層20'的兩邊。 經濟部中央標準局員工消费合作社印製

In n n n· n· n n In J. n ϋ n n ϋ n T (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在圖2的實施例中，有一支持基板26·，在支持基板％，的 表面27'上並制定有一層導電材料，定義出閘極16·。支持 基板26'可以是任何合用的材料，在本實施例中是一面玻 璃。正如前面所解釋的’閘極16,一般都有通往外界的連 線，但爲了方便説明，圖2並沒有畫出這些外界連線。當 制定閘極16'時即可同時形成這些外界連線，而且通常都 延展到支持基板26'其他可及的區域。 在支持基板26'上沉積一層絕緣層28'，並覆蓋閘極16·， -9- 本紙垠尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4現格（210 X 297公釐） B7 五、發明説明（7 ) 可以是任何合用的材料，例如氮化矽（siNx)。在絕緣層以 上=積半導體層20，，然後在半導體層2〇，分開的區域32，和 33 %積半導體材料35,β分開區域32,和33,是在侧邊方向上 彼此分開，並位在閉桎16•的兩邊，定義出源極端子“和 汲極端子19的位置❶並且，在這個實施例中，大致相對於 閉極16,區域中的半導趙材料35•(而且在某些應財，連同 邵份的丰導鱧層20·)都經由化學蝕刻去除，或和用已知的 其他方法去除。在圖2的實施例中，藉由蝕刻半導體層2〇, 定義出上表面40,》 在區域32·和33,的半導體材料35,表面上，沉積一層金屬 或其他好的導電材料31，，分別形成源極端子Μ,和汲極端 子19’的電性接觸。在半導體層2〇，的表面⑽，並半導體材料 35,上沉積一脣絕緣層42，’使顯示膜17，與源極端子18，和汲 極端子19·隔離。然後在絕緣層42，上沉積顯示膜17,，相對 於表面40，，所以大致上相對於閘極端子16,。 經濟部中央橾準局負工消費合作社印製 正如以上的敘述，利用顯示膜17，可以感測材料、物種或 事件’因爲這些材料、物種或事件會在顯示膜17•内感應 出電荷或造成電荷移位。因爲顯示膜17,與通道25,並排， 它的作用就有如電晶链15|0卜個閘極或控制端子。因此 ，顯示膜17,内的感應電荷或電荷移位會造成通道25,内的 電流產生變化。然後就需閘極16’上的電位來恢復通道以， 的電流變化。閉極16，上的電位可以作爲度量的刻度，或 以其他方式’作爲極其敏銳的感測器或度量，可以感測材 料、物種或事件。 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS > A4規格（21〇X29^i^y A7 B7 五、發明説明（8 ) 因此，以上所揭露的生化感測器造價相當低廉，可作成 大面的感測器陣列，而且極其敏銳。此外，這種新穎且經 改良的生化感測器可以輕易地清除所感應的生物或化學物 種，並可輕易地用來感測各式生物和化學物種、光、或運 動（事件）。同時，也可在這種新穎且經改良和生化感測器 中利用各式補償技術，而容讓感測器内有自然的變化〇這 種新穎且經改良的生化感測器提高了可靠性及製造能力， 並使包裝上的限制顯著地放寬。舉例來説，如果將所有的 接觸都放置在半導體層（例如層20)底下，即可大大改良包 裝β那時就可利用支持基板内的通孔來接通這些接觸。在 這種配置中，唯一暴露在周圍（不良）環境中的是顯示膜， 所以可以提高可靠性並且放寬包裝的限制。 雖然以上係以特定的實施例來説明本發明，但對熟知此 技藝之人士而言，仍可獲致進一步的修改和改良。因此， 我們希望人們瞭解，本發明並不侷限於所説明的特定形式 ’並希望以所附的申請專利範圍來涵蓋所有不致脱離本發 明精神與範園的修改。 — —— — — — I---不1 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、π 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ) ( 2,0X29!^ )

Claims (1)

1. 2. 3. 申請專利範圍 AB B8 C8 D8 經濟部中央標準局貞工消費合作社印製 一種化學感測器，包含： 個薄膜電ΒΘ體，具有第一和第二彼此相對的侧面， 並有一位於該第一側面上之閘極， 一層絕緣層，位在該第二側面上；以及 一層顯示膜，位在該絕緣層上，大致與該閘極相對。 —種化學感測器，包含： . 一個薄膜電晶體，包括一半導體層和該半導體層上彼 此分開，而在該半導體層内定義出—個電流通道的源極 與汲極端子’和一個位在該半導體層第一侧面上、與該 電泥通道並排的閘極端子，而當該源極、没極與閑極端 子啓動時，可以控制流經源極與汲極端子之間電流層的 電流；以及 二層顯示膜，位於該半導體層第二侧面的附近，與該 電流通道並排，而當該源極、汲極端子啓動時，可以控 制流經源極與汲極端子之間電流層的電流。 一種化學感測器，包含： 半導趙層，具有第一和第二表面； 一源極端子，包括一個位在一層半導趙材料上的電性 接觸’和-汲極端子’包括—個位在一層半導體材料上 的電性接觸，該源極端子所在的半導趙材料層係位在該 半導體層第一和第二表面其中之一個表面上，而且該汲 極端子所在的半導體材料層係位在該半導體層第一和第 二表面其中之-個表面丨，並與該源極端子之半導體材 料層彼此分開’而在該半導體層内定義出_個電流通道 -12 ^紙浪尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公慶） (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) T >衣. 訂 297902 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 一閘極端子，包括—個位在_ 絕緣層上的電性接觸， 孩閘極的絕緣層係位在該半導體層和第—表面上，與为 電流通道並排，因而定義出_個薄膜電晶體，並在㈣ 極、没極和閘極端子啓動時，控制流經該源極與没㈣ 子之間電流層的電流； .- 一絕緣層，位在該半導體層的第二表面上；以及 一顯示膜，位在該絕緣層上，與該電流通道並排，在 該源極與汲極端子啓動時，控制流經該源極與汲極端子 之間電流層的電流。 4. 5. 經濟部中央標準局負工消費合作社印聚 一種化學感測器的製造方法，包含： 形成一個具有第一和第二相對侧面的薄膜電晶體，以 及一位在該第一侧面上的閘極； 在該第二側面上沉積一層絕緣層；以及 在該絕緣層上、大致相對於該閘極的位置上沉積—層 顯示膜。 一種化學感測器的製造方法，包含： 預備一面具有平坦表面的支持基板； 在該支持基板的表面上沉積—層導電層，以定義出— 個電晶體閘極； 在該導電層上沉積一層絕緣材料層； 在該絕緣層上彼此分開的兩個區域上沉積導電材料， 該分開的區域係在側向上彼此分開，並位在該導電層的 兩邊； -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4%格（210X297公釐） A8 Βδ C8 D8 六、申請專利範圍 在該兩分開區域的導電材料上沉積半導體材料； 在該兩分開區域的半導體材料和其間的該絕緣層上沉 積一半導體材料層，在該兩分開區域之間定義出一個表 面和一個薄膜電晶體的電流通道，而覆蓋在該導電層之 上； 在該半導體材料層的表面上沉積一層絕緣材料層；並 且 在該絕緣層上沉積一層顯示膜。 ^ .. ^ :衣 訂 (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）