TWI490489B - Acetone sensor device - Google Patents

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丙酮感測器裝置
　　本發明係有關於丙酮感測器裝置，特別是關於一種丙酮感測器裝置，其可檢測出低丙酮濃度氣體樣本之丙酮濃度。
　　超過二百種揮發性有機化合物(VOC—volatile organic compound)存在於人類的呼吸中，而這些VOC的濃度一般位在次ppm或更低的等級。有報告指出人類呼吸中出現VOC濃度異常的現象與不健康/受損的身體/器官有關。例如，丙酮之於糖尿病，三甲胺之於尿毒症，及阿摩尼亞之於腎臟病。因此，人類呼吸中的VOC可作為疾病專屬生物標記以應用於非侵入式疾病篩檢或追蹤。
     丙酮可在人體內經由脂肪酸氧化產生，且血液系統中多出的丙酮會經由肺排出。較高的丙酮濃度—從1.7 ppm到3.7 ppm—可在糖尿病患的呼吸中測出，而健康者呼吸中的丙酮濃度一般會低於0.8 ppm。因此，具有次ppm丙酮偵測能力的氣體感測器乃在糖尿病之非侵入式追蹤或診斷中扮演一重要角色。
     在先前技術中，US 6,454,723專利揭露了一代謝適能訓練裝置，用以在一受訓者運動時量測丙酮濃度。該代謝適能訓練裝置具有一罩體、一丙酮感測器、一光學偵測電路、以及附於該罩體之一吹氣口。該丙酮感測器具有像柳醛(salicylaldehyde)或其衍生物之試劑以與丙酮反應而改變該丙酮感測器之光穿透性。該光學偵測電路包含一LED及一光偵測器或一光量測儀器以量測該丙酮感測器之光穿透性變化，並依該光穿透性之變化產生丙酮濃度數值。其亦包含一顯示器以顯示丙酮濃度。
     US 7,417,730揭露藉由偵測及量化呼氣中之丙酮含量以追蹤糖尿病之裝置及方法，其採用與一光譜儀結合之一微電漿源。該微電漿源提供足夠的能量以在一呼氣樣本中產生發光的受激丙酮斷片。所發出的光被送到該光譜儀以產生一發射光譜，以偵測及量化該呼氣樣本中的丙酮含量。
     然而，US 6,454,723及US 7,417,730都有過於昂貴及不夠輕巧的缺點。
     另外，桌上型設備，像氣相層析質譜儀(Gas Chromatography-Mass Spectrometry)或質子轉移反應質譜儀(Proton Transfer Reaction-Mass Spectrometry)亦可偵測次ppm之VOC。然而，此類設備並不符合診所或住家在可攜性、小外觀尺寸、高效能、及時分析等方面的要求。
     習知還有一些感測器可偵測低濃度之氣體，包括電化學感測器、表面聲波感測器、石英微量天平感測器、及半導體氣體感測器。其中，所述半導體氣體感測器係形成於半導體材料上、被視為電子元件、且可進一步與其他電子電路整合。
     表1.比較了一些形成在金屬氧化物或金屬氮化物上的無閘極(gateless)丙酮感測器。所列出的金屬氧化物材料有LaFeO3 、In2 O3 、WO3 、及ZnO，但大部分都無法達成高靈敏度及高線性之次ppm丙酮偵測。
表1.丙酮感測器比較表
     為解決前述問題，吾人亟需一新穎的感測器裝置，一種輕巧、可攜帶、不昂貴、且可在一呼氣樣本中偵測到極低丙酮濃度的丙酮感測器裝置。
     本發明之一目的在於提供一丙酮感測器裝置，其可在低丙酮濃度氣體樣本中偵測出丙酮。
     本發明之另一目的在於提供一丙酮感測器裝置，其可加速丙酮之偵測過程。
     本發明之又一目的在於提供一丙酮感測器裝置，其為可攜式且容易實施。 
     為達成前述目的，本發明提出一丙酮感測器裝置，其具有：
     一容氣室，用以容納取自一受測者之一呼氣樣本；
     一丙酮感測器，置於該容氣室中以依該呼氣樣本之丙酮濃度產生一輸出電流；
     一加熱元件，用以對該丙酮感測器加熱；以及
     一量測單元，與該丙酮感測器耦接以提供與該輸出電流對應之一量測信號； 
     其中該丙酮感測器具有：
     一基板；
     一緩衝層，沉積於該基板上；
     一InN磊晶層，沉積於該緩衝層上以提供該輸出電流之一電流路徑；
     一第一導電接點，沉積於該InN磊晶層之上以提供一汲極接點以耦接一第一電壓；
     一第二導電接點，沉積於該InN磊晶層之上以提供一源極接點以耦接一第二電壓；以及
     一催化層，沉積於該InN磊晶層之上，且位於該第一導電接點及該第二導電接點之間。
     在量測後，若該量測信號低於一第一準位，則該受測者被診斷為正常；當該量測信號高於一第二準位—所述的第二準位高於所述的第一準位，則該受測者被診斷為有糖尿病。
     較佳的，該基板係一c-平面藍寶石層或一(111)矽晶層。
     較佳的，該緩衝層係一AlN(氮化鋁)層。
     較佳的，該第一導電接點及該第二導電接點皆由金屬製成。
     較佳的，該第一導電接點及該第二導電接點均具有Au/Al/Ti結構。
     較佳的，該催化層具有白金。
     較佳的，該加熱元件係位於該丙酮感測器下方。
     較佳的，該加熱元件係一鋁材質加熱器。
　　請參照圖1，其繪示本發明丙酮(CH3 COCH3 )感測器裝置之一較佳實施例。如圖1所示，該丙酮感測器裝置主要包括一容氣室100、及一丙酮感測器110。該丙酮感測器裝置係由一電源供應單元130供電，及藉由一量測單元140產生量測結果。
　　該容氣室100具有一進氣口101供一受測者之呼氣流入，以及一出氣口102供該容氣室100內之氣體排出。
　　該丙酮感測器110具有一基板111、一緩衝層112、一InN磊晶層113、一第一導電接點114、以及一第二導電接點115。
　　該基板111，較佳為具有抗化學侵蝕之強固表面之一c-平面藍寶石層或一(111)矽晶層，用以沉積一無閘極電晶體。
　　該緩衝層112，較佳為一AlN(氮化鋁)層，係藉由使用一電漿輔助式分子束磊晶(plasma-assisted molecular beam epitaxy)系統而沉積於該基板111之上。
　　該InN(氮化銦)磊晶層113，藉由使用一電漿輔助式分子束磊晶(plasma-assisted molecular beam epitaxy)系統而沉積於該緩衝層112之上，係用以在該第一導電接點114及該第二導電接點115之間提供一輸出電流之一電流路徑。該InN磊晶層113可提供一表面通道—靠近該InN磊晶層113表面之具有幾個奈米厚度之超薄n型反轉通道，由丙酮引發之表面電子形成。較佳地，該InN磊晶層113具有約10 nm之厚度。
　　該InN磊晶層113對丙酮具有優良的靈敏度，其原因在於其電子特性，包括：窄能帶、優良的電子傳送特性(移動率>1000 cm2 /V·s)、高的背景電子密度(一般超過11018 cm 3 )、以及強烈的表面電子(電荷)累積(1.571013 cm 2 )現象。所述的表面電子累積現象及高移動率會在環境丙酮濃度有小變動時引發大幅度的輸出電流變化。所述的表面電子一般存在於距該InN磊晶層113表面5nm內之區域中。因此，該InN磊晶層113之厚度較佳為10nm左右。藉由此安排，一表面電荷累積層將會形成，而其表面將會有二維電子氣(two-dimensional electron gas—2DEG)以偵測丙酮。另外，InN係一耐化學侵蝕的半導體，可抵抗強酸或強鹼。
　　該InN磊晶層113之所述輸出電流係隨丙酮濃度增加而增加，其原理如下：
　　1.丙酮分子可自該InN磊晶層113帶走原先吸附的氧原子。
　　2.該InN磊晶層113上原先吸附的氧原子易因一電荷轉移過程—電荷由一表面導電帶轉移至所述原先吸附的氧原子—而帶負電(亦即成為受體)。
　　3.所述的電荷轉移過程會引發表面空乏層，從而降低該InN磊晶層113之表面導電度。
　　4.當丙酮分子被導入該丙酮感測器裝置時，呈分解狀態的丙酮分子的氫原子會與所述原先吸附的氧原子發生反應，而減少所述的表面空乏層。另外，丙酮分子會被吸附在該InN磊晶層113上。由於所述原先吸附的氧原子之減少及丙酮分子之吸附均會在電流通道中貢獻電子，故InN之表面導電度乃隨丙酮分子之被導入而增加。
　　該第一導電接點114較佳為藉由一電子束蒸鍍系統(electron-beam evaporation system)沉積在該InN磊晶層113上之一Au/Al/Ti結構(50nm/200nm/50nm)以充作汲極，並耦接一第一電壓。
　　該第二導電接點115較佳為藉由一電子束蒸鍍系統(electron-beam evaporation system)沉積在該InN磊晶層113上之一Au/Al/Ti結構(50nm/200nm/50nm)以充作源極，並耦接一第二電壓，其中該第二電壓低於該第一電壓。
　　該電源供應單元130係用以提供所述的第一電壓及所述的第二電壓。
　　該量測單元140係用以量測所述的輸出電流。
　　請參照圖2，其繪示本發明丙酮(CH3 COCH3 )感測器裝置之另一較佳實施例。如圖2所示，該丙酮感測器裝置主要包括一容氣室200、及一丙酮感測器210。該丙酮感測器裝置係由一電源供應單元230供電，及藉由一量測單元240產生量測結果。
　　該容氣室200具有一進氣口201供一受測者之呼氣流入，以及一出氣口202供該容氣室200內之氣體排出。
　　該丙酮感測器210具有一基板211、一緩衝層212、一InN磊晶層213、一第一導電接點214、一第二導電接點215、以及一催化層216。
　　該基板211，較佳為具有抗化學侵蝕之強固表面之一c-平面藍寶石層或一(111)矽晶層，用以沉積一無閘極電晶體。
　　該緩衝層212，較佳為一AlN(氮化鋁)層，係藉由使用一電漿輔助式分子束磊晶(plasma-assisted molecular beam epitaxy)系統而沉積於該基板211之上。
　　該InN(氮化銦)磊晶層213，藉由使用一電漿輔助式分子束磊晶(plasma-assisted molecular beam epitaxy)系統而沉積於該緩衝層212之上，係用以在該第一導電接點214及該第二導電接點215之間提供一輸出電流之一電流路徑。該InN磊晶層213可提供一表面通道—靠近該InN磊晶層213表面之一具有幾個奈米厚度之超薄n型反轉通道，由丙酮引發之表面電子形成。較佳地，該InN磊晶層213具有約10 nm之厚度。
　　該第一導電接點214較佳為藉由一電子束蒸鍍系統(electron-beam evaporation system)沉積在該InN磊晶層213上之一Au/Al/Ti結構(50nm/200nm/50nm)以充作汲極，並耦接一第一電壓。
　　該第二導電接點215較佳為藉由一電子束蒸鍍系統(electron-beam evaporation system)沉積在該InN磊晶層213上之一Au/Al/Ti結構(50nm/200nm/50nm)以充作源極，並耦接一第二電壓，其中該第二電壓低於該第一電壓。
　　該催化層216係藉由一電子束蒸鍍系統沉積於該InN磊晶層213之上，且其係位於該第一導電接點214及該第二導電接點215之間。該催化層216較佳為厚度約10nm之白金(Pt)層。該催化層216係用以在丙酮偵測中增強輸出電流，其原理如下：
　　在該白金層的上表面，由丙酮分子釋出的氫原子中有一部分會和其他的氫原子或所述原先吸附的氧原子反應而形成氫氣分子或水分子，然後離開該白金層。另一方面，有些被釋出的氫原子會以擴散的方式快速地穿過該白金層，然後在白金/半導體介面被捕捉而形成一介面雙極層(interface dipole layer)—其可在丙酮偵測過程增強輸出電流反應。
　　該電源供應單元230係用以提供所述的第一電壓及所述的第二電壓。
　　該量測單元240係用以量測所述的輸出電流。
　　請參照圖3，其繪示本發明丙酮(CH3 COCH3 )感測器裝置之又一較佳實施例。如圖3所示，該丙酮感測器裝置主要包括一容氣室300、一丙酮感測器310、及一加熱元件320。該丙酮感測器裝置係由一電源供應單元330供電，及藉由一量測單元340產生量測結果。
　　該容氣室300具有一進氣口301供一受測者之呼氣流入，以及一出氣口302供該容氣室300內之氣體排出。
　　該丙酮感測器310具有一基板311、一緩衝層312、一InN磊晶層313、一第一導電接點314、以及一第二導電接點315。
　　該基板311，較佳為具有抗化學侵蝕之強固表面之一c-平面藍寶石層或一(111)矽晶層，用以沉積一無閘極電晶體。
　　該緩衝層312，較佳為一AlN(氮化鋁)層，係藉由使用一電漿輔助式分子束磊晶(plasma-assisted molecular beam epitaxy)系統而沉積於該基板311之上。
　　該InN(氮化銦)磊晶層313，藉由使用一電漿輔助式分子束磊晶(plasma-assisted molecular beam epitaxy)系統而沉積於該緩衝層312之上，係用以在該第一導電接點314及該第二導電接點315之間提供一輸出電流之一電流路徑。該InN磊晶層313可提供一表面通道—靠近該InN磊晶層313表面之一具有幾個奈米厚度之超薄n型反轉通道，由丙酮引發之表面電子形成。較佳地，該InN磊晶層313具有約10 nm之厚度。
　　該第一導電接點314較佳為藉由一電子束蒸鍍系統(electron-beam evaporation system)沉積在該InN磊晶層313上之一Au/Al/Ti結構(50nm/200nm/50nm)以充作汲極，並耦接一第一電壓。
　　該第二導電接點315較佳為藉由一電子束蒸鍍系統(electron-beam evaporation system)沉積在該InN磊晶層313上之一Au/Al/Ti結構(50nm/200nm/50nm)以充作源極，並耦接一第二電壓，其中該第二電壓低於該第一電壓。
　　該加熱元件320較佳為位於該丙酮感測器310下方之一鋁材質加熱器，用以對該丙酮感測器310加熱。
　　該電源供應單元330係用以提供所述的第一電壓及所述的第二電壓。
　　該量測單元340係用以量測所述的輸出電流。
　　圖5繪示圖3丙酮感測器裝置在不同環境溫度及不同丙酮濃度下之輸出電流反應。如圖5所示，該輸出電流反應隨環境溫度升高或丙酮濃度增加而變快。因此，一第一準位—對應於例如0.8ppm—及一第二準位—對應於例如1.7ppm—可被用做閾值以協助糖尿病之診斷。當該輸出電流之穩定值低於所述的第一準位，其代表”正常”；當該輸出電流之穩定值高於所述的第二準位，其代表”糖尿病”。
　　請參照圖4，其繪示本發明丙酮(CH3 COCH3 )感測器裝置之又一較佳實施例。如圖4所示，該丙酮感測器裝置主要包括一容氣室400、一丙酮感測器410、以及一加熱元件420。該丙酮感測器裝置係由一電源供應單元430供電，及藉由一量測單元440產生量測結果。
　　該容氣室400具有一進氣口401供一受測者之呼氣流入，以及一出氣口402供該容氣室400內之氣體排出。
　　該丙酮感測器410具有一基板411、一緩衝層412、一InN磊晶層413、一第一導電接點414、一第二導電接點415、以及一催化層416。
　　該基板411，較佳為具有抗化學侵蝕之強固表面之一c-平面藍寶石層或一(111)矽晶層，用以沉積一無閘極電晶體。
　　該緩衝層412，較佳為一AlN(氮化鋁)層，係藉由使用一電漿輔助式分子束磊晶(plasma-assisted molecular beam epitaxy)系統而沉積於該基板411之上。
　　該InN(氮化銦)磊晶層413，藉由使用一電漿輔助式分子束磊晶(plasma-assisted molecular beam epitaxy)系統而沉積於該緩衝層412之上，係用以在該第一導電接點414及該第二導電接點415之間提供一輸出電流之一電流路徑。該InN磊晶層413可提供一表面通道—靠近該InN磊晶層413表面之一具有幾個奈米厚度之超薄n型反轉通道，由丙酮引發之表面電子形成。較佳地，該InN磊晶層413具有約10 nm之厚度。
　　該第一導電接點414較佳為藉由一電子束蒸鍍系統(electron-beam evaporation system)沉積在該InN磊晶層413上之一Au/Al/Ti結構(50nm/200nm/50nm)以充作汲極，並耦接一第一電壓。
　　該第二導電接點415較佳為藉由一電子束蒸鍍系統(electron-beam evaporation system)沉積在該InN磊晶層413上之一Au/Al/Ti結構(50nm/200nm/50nm)以充作源極，並耦接一第二電壓，其中該第二電壓低於該第一電壓。
　　該催化層416係藉由一電子束蒸鍍系統沉積於該InN磊晶層413之上，且其係位於該第一導電接點414及該第二導電接點415之間。該催化層416較佳為厚度約10nm之白金(Pt)層。
　　該加熱元件420較佳為位於該丙酮感測器410下方之一鋁材質加熱器，用以對該丙酮感測器410加熱。
　　該電源供應單元430係用以提供所述的第一電壓及所述的第二電壓。
　　該量測單元440係用以量測所述的輸出電流。
　　圖6繪示圖4丙酮感測器裝置在不同環境溫度及不同丙酮濃度下之輸出電流反應。與圖5比較，圖6之輸出電流因該催化層416之作用而有較快及較大的反應。
　　由上述說明可知，本發明之丙酮感測器裝置具有以下優點：
     1.本發明在低丙酮濃度氣體樣本之丙酮偵測具有優越的性能。
     2.本發明可加速丙酮之偵測過程。
     3.本發明之丙酮感測器裝置可方便攜帶且容易實施。
　　本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇，例如，本案之基板可為矽或r-藍寶石或c-藍寶石等；晶體之排列方式可為c-或a-或m-等；而厚度則可加以調整。
　　綜上所陳，本案無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請　貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。
100、200、300、400．．．容氣室
101、201、301、401．．．進氣口
102、202、302、402．．．出氣口
110、210、310、410．．．丙酮感測器
111、211、411．．．基板
112、212、312、412．．．緩衝層
113、213、313、413．．．InN磊晶層
114、214、314、414．．．第一導電接點
115、215、315、415．．．第二導電接點
130、230、330、430．．．電源供應單元
140、240、340、440．．．量測單元
216、416．．．催化層
320、420．．．加熱元件
　　圖1繪示本發明丙酮(CH3 COCH3 )感測器裝置之一較佳實施例。
　　圖2繪示本發明丙酮(CH3 COCH3 )感測器裝置之另一較佳實施例。
　　圖3繪示本發明丙酮(CH3 COCH3 )感測器裝置之又一較佳實施例。
　　圖4繪示本發明丙酮(CH3 COCH3 )感測器裝置之又一較佳實施例。
　　圖5繪示圖3丙酮感測器裝置在不同環境溫度及不同丙酮濃度下之輸出電流反應。
　　圖6繪示圖4丙酮感測器裝置在不同環境溫度及不同丙酮濃度下之輸出電流反應。
100．．．容氣室
101．．．進氣口
102．．．出氣口
110．．．丙酮感測器
111．．．基板
112．．．緩衝層
113．．．InN磊晶層
114．．．第一導電接點
115．．．第二導電接點
130．．．電源供應單元
140．．．量測單元

Claims (20)

  1. 一種丙酮感測器裝置，其具有：
    一容氣室，用以容納取自一受測者之一呼氣樣本；以及
    一丙酮感測器，置於該容氣室中以依該呼氣樣本之丙酮濃度產生一輸出電流，該丙酮感測器具有：
    一基板；
    一緩衝層，沉積於該基板上；
    一 InN磊晶層，沉積於該緩衝層上以提供該輸出電流之一電流路徑；
    一第一導電接點，沉積於該InN磊晶層之上以提供一汲極接點；以及
    一第二導電接點，沉積於該InN磊晶層之上以提供一源極接點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之丙酮感測器裝置，其中該基板係一c-平面藍寶石層或一(111)矽晶層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之丙酮感測器裝置，其中該緩衝層係一氮化鋁(AlN)層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之丙酮感測器裝置，其中該第一導電接點及該第二導電接點係由金屬構成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之丙酮感測器裝置，其中該第一導電接點及該第二導電接點均具有Au/Al/Ti之結構。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之丙酮感測器裝置，其中該第一導電接點係用以耦接一第一電壓及該第二導電接點係用以耦接一第二電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之丙酮感測器裝置，其中該丙酮感測器進一步具有一催化層，沉積在該InN磊晶層之上，且該催化層係位於該第一導電接點和該第二導電接點之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之丙酮感測器裝置，其中該催化層具有白金。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之丙酮感測器裝置，其進一步具有一加熱元件，用以對該丙酮感測器加熱。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之丙酮感測器裝置，其中該加熱元件係位於該丙酮感測器下方。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之丙酮感測器裝置，其中該加熱元件係一鋁材質加熱器。
  12. 一種丙酮感測器裝置，其具有：
    一容氣室，用以容納取自一受測者之一呼氣樣本；
    一丙酮感測器，置於該容氣室中以依該呼氣樣本之丙酮濃度產生一輸出電流；
    一加熱元件，用以對該丙酮感測器加熱；以及
    一量測單元，與該丙酮感測器耦接以提供與該輸出電流對應之一量測信號；
    其中該丙酮感測器具有：
    一基板；
    一緩衝層，沉積於該基板上；
    一 InN磊晶層，沉積於該緩衝層上以提供該輸出電流之一電流路徑；
    一第一導電接點，沉積於該InN磊晶層之上以提供一汲極接點以耦接一第一電壓；以及
    一第二導電接點，沉積於該InN磊晶層之上以提供一源極接點以耦接一第二電壓。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之丙酮感測器裝置，其中該基板係一c-平面藍寶石層或一(111)矽晶層。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之丙酮感測器裝置，其中該緩衝層係一氮化鋁(AlN)層。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之丙酮感測器裝置，其中該第一導電接點及該第二導電接點均具有Au/Al/Ti之結構。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之丙酮感測器裝置，其中該丙酮感測器進一步具有一催化層，沉積在該InN磊晶層之上，且該催化層係位於該第一導電接點和該第二導電接點之間。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之丙酮感測器裝置，其中該催化層具有白金。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之丙酮感測器裝置，其中該加熱元件係位於該丙酮感測器下方。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之丙酮感測器裝置，其中該加熱元件係一鋁材質加熱器。
  20. 一種用於糖尿病偵測之丙酮感測器裝置，其具有：
    一容氣室，用以容納取自一受測者之一呼氣樣本；
    一丙酮感測器，置於該容氣室中以依該呼氣樣本之丙酮濃度產生一輸出電流；
    一加熱元件，用以對該丙酮感測器加熱；以及
    一量測單元，與該丙酮感測器耦接以提供與該輸出電流對應之一量測信號以供糖尿病診斷；
    其中該丙酮感測器具有：
    一基板；
    一緩衝層，沉積於該基板上；
    一 InN磊晶層，沉積於該緩衝層上以提供該輸出電流之一電流路徑；
    一第一導電接點，沉積於該InN磊晶層之上以提供一汲極接點以耦接一第一電壓；
    一第二導電接點，沉積於該InN磊晶層之上以提供一源極接點以耦接一第二電壓；以及
    一催化層，沉積於該InN磊晶層之上，且該催化層係位於該第一導電接點及該第二導電接點之間。
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