TWI653753B - 感測元件 - Google Patents

Abstract

一種感測元件包括導電基板、氧化鋅晶種層、複數根氧化鋅奈米柱、具電雙層膜及有機感測層。氧化鋅晶種層位於導電基板上。這些氧化鋅奈米柱自氧化鋅晶種層延伸出來。具電雙層膜覆蓋這些氧化鋅奈米柱。有機感測層位於具電雙層膜上。

Description

感測元件

本發明係關於一種感測元件。本發明特別係關於一種包含具電雙層膜的感測元件。

近年來，奈米科技蓬勃發展，各式各樣的奈米材料已被廣泛地應用於各種技術領域中。舉例來說，奈米金屬氧化物材料可被用於製造氣體感測器。然而，利用奈米金屬氧化物材料製造氣體感測器的製程步驟通常較為複雜，難度也較高。並且，由奈米金屬氧化物材料所製得的氣體感測器的表面通常凹凸不平，而對於氣體感測器的使用壽命有不利的影響。

鑒於上述，需要一種新的感測器來解決上述的問題。

本揭示內容提供一種感測元件，其包括導電基板、氧化鋅晶種層、複數根氧化鋅奈米柱、具電雙層膜及有機感測層。氧化鋅晶種層位於導電基板上。這些氧化鋅奈米柱自氧化鋅晶種層延伸出來。具電雙層膜覆蓋這些氧化鋅奈 米柱。有機感測層位於具電雙層膜上。

在一些實施方式中，這些氧化鋅奈米柱埋設於具電雙層膜中。

在一些實施方式中，具電雙層膜填滿這些氧化鋅奈米柱間的間隙。

在一些實施方式中，這些氧化鋅奈米柱係藉由具電雙層膜與有機感測層分隔。

在一些實施方式中，感測元件進一步包括電阻測量元件(Resistance measuring element)，其中電阻測量元件與導電基板電性連結。

在一些實施方式中，具電雙層膜與有機感測層間的界面為實質上平坦的。

在一些實施方式中，具電雙層膜具有實質上平坦的上表面。

在一些實施方式中，有機感測層具有實質上平坦的上表面。

在一些實施方式中，具電雙層膜的材料包括含氟聚合物。

在一些實施方式中，有機感測層包括至少一抗原。

應該理解的是，前述的一般性描述和下列具體說明僅僅是示例性和解釋性的，並旨在提供所要求的本發明的進一步說明。

100A、100B‧‧‧感測元件

110‧‧‧導電基板

120‧‧‧氧化鋅晶種層

122‧‧‧氧化鋅奈米柱

130‧‧‧具電雙層膜

140‧‧‧有機感測層

150‧‧‧電阻測量元件

160‧‧‧導線

170‧‧‧有機感測層

S1、S2‧‧‧上表面

Ag‧‧‧抗原

E‧‧‧電雙層

I‧‧‧界面

Ig‧‧‧抗體

G‧‧‧間隙

本發明上述和其他態樣、特徵及其他優點參照說明書內容並配合附加圖式得到更清楚的瞭解，其中：第1~4圖係根據各種實施方式之感測元件在各種製作階段的剖面圖；以及第5圖係根據一實施方式之感測元件在進行感測時的示意圖。

為了使本揭示內容之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

本揭示內容提供一種感測元件，第1~4圖係根據各種實施方式之感測元件在各種製作階段的剖面圖。

請參照第1圖，形成金屬氧化物晶種層例如是氧化鋅晶種層120於導電基板110上，氧化鋅晶種層120可利於後續的氧化鋅奈米柱之成長。在一些實施方式中，氧化鋅 晶種層120係直接接觸導電基板110。形成氧化鋅晶種層120的方法包括但不限於電化學沉積法(Electrophoretic deposition，EPD)、溶膠-凝膠法(Sol-Gel method)、旋轉塗佈法(Spin coating)、電子束蒸鍍法(E-gun evaporation)、化學氣相沉積法(Chemical vapor deposition，CVD)、脈衝雷射沉積法(Pulsed laser deposition，PLD)、原子層沉積法(Atomic layer deposition，ALD)或濺射(Sputtering)。CVD例如為有機金屬化學氣相沉積法(Metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD)。

在一些實施方式中，導電基板110的材料包括金屬、合金、金屬氧化物或其組合。舉例來說，導電基板110的材料包括但不限於銦錫氧化物(Indium tin oxide，ITO)。在一些實施方式中，導電基板110為ITO基板，氧化鋅晶種層120可藉由電化學沉積法或溶膠-凝膠法而直接形成於ITO基板上。

請參照第2圖，形成金屬氧化物奈米柱例如是複數根氧化鋅奈米柱122於氧化鋅晶種層120上。形成這些氧化鋅奈米柱122的方法包括但不限於水熱法(Hydrothermal method)、化學氣相沉積法(例如：有機金屬化學氣相沉積法)、脈衝雷射沉積法、分子束磊晶(Molecular beam epitaxy，MBE)或電化學沉積法。舉例來說，藉由電化學沉積法，氧化鋅可於氧化鋅晶種層120上透過自組裝的方式形成氧化鋅奈米柱122。

第2圖所繪示之這些氧化鋅奈米柱122的排列僅為示例性的。根據不同的形成氧化鋅奈米柱122的方法，在一些實施方式中，這些氧化鋅奈米柱122係定向生長於氧化鋅晶種層120上，因此，這些氧化鋅奈米柱122會規則排列。在另一些實施方式中，這些氧化鋅奈米柱122係非定向生長於氧化鋅晶種層120上，因此，這些氧化鋅奈米柱122會隨機排列。

如第2圖所示，這些氧化鋅奈米柱122係成長於氧化鋅晶種層120上，因此，這些氧化鋅奈米柱122會自氧化鋅晶種層120延伸出來。在一些實施方式中，由這些氧化鋅奈米柱122所構成之結構可被稱之為氧化鋅奈米柱陣列(ZnO nanorod array)。在一些實施方式中，氧化鋅奈米柱122被稱之為氧化鋅奈米線，因此，由這些氧化鋅奈米柱122所構成之結構亦可被稱之為氧化鋅奈米線陣列(ZnO nanowire array)。在一些實施方式中，氧化鋅奈米柱122含有摻雜物，例如：鋰、鎂、銅、鋁、鎵、銦或鈷。

請參照第3圖，形成具電雙層(Electrical double layer)膜130於氧化鋅奈米柱122上以覆蓋這些氧化鋅奈米柱122。具電雙層膜130可預防氧化鋅奈米柱122劣化。在一些實施方式中，這些氧化鋅奈米柱122係埋設於具電雙層膜130中。

本揭示內容中所稱之「具電雙層膜」係指在膜的內部具有電雙層的膜。「具電雙層膜」亦可被稱之為「含電雙層膜」或「具電雙層結構膜」。詳細來說，具電雙層膜 130的內部具有可自由移動的離子，因此具電雙層膜130能夠產生包括一正電荷層及一負電荷層的電雙層，且具有高電容率。在一些實施方式中，具電雙層膜130的材料包括含氟聚合物。舉例來說，含氟聚合物包括但不限於聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene difluoride，PVDF)、環狀透明光學聚合物(Cyclic transparent optical polymer，CYTOP)或其組合。

形成具電雙層膜130的方法包括但不限於液態製程(Liquid process)。舉例來說，具電雙層膜130可藉由塗佈(Coating)而直接包覆氧化鋅奈米柱122，因此，具電雙層膜130係直接接觸氧化鋅奈米柱122。在一些實施方式中，這些氧化鋅奈米柱122間的間隙G係被具電雙層膜130填滿。在一些實施方式中，具電雙層膜130的上表面S1為實質上平坦的。

請參照第4圖，形成有機感測層140於具電雙層膜130上以形成感測元件100A。形成有機感測層140的方法包括但不限於塗佈。有機感測層140具有吸附待測物的能力或具有與待測物反應的能力。當有機感測層140吸附待測物或與待測物反應時，會造成有機感測層140的能障及電位改變。有機感測層140的材料係由待測物的種類而決定。待測物的狀態可為氣態、液態或固態。舉例來說，待測物包括但不限於一氧化碳、氧氣、甲醛、臭氧、氫氣、乙炔、己烯或抗體。

在一些實施方式中，有機感測層140具有可與 待測物反應的官能基。在一些實施方式中，待測物為羧酸(Carboxylic acid)，有機感測層具有羥基(-OH)。在一些實施方式中，待測物為醇(Alcohol)，有機感測層具有羧基(-COOH)。在一些實施方式中，待測物為胺(Amine)，有機感測層具有羧基。在一些實施方式中，待測物為羧酸，有機感測層具有胺基。在一些實施方式中，待測物為醯胺(Amide)，有機感測層具有羧基。

如第4圖所示，感測元件100A包括導電基板110、氧化鋅晶種層120、複數根氧化鋅奈米柱122、具電雙層膜130及有機感測層140。氧化鋅晶種層120位於導電基板110上。這些氧化鋅奈米柱122自氧化鋅晶種層120延伸出來。具電雙層膜130覆蓋這些氧化鋅奈米柱122。有機感測層140位於具電雙層膜130上。在一些實施方式中，這些氧化鋅奈米柱122係藉由具電雙層膜130而與有機感測層140分隔。在一些實施方式中，由於具電雙層膜130的上表面S1為實質上平坦的，因此具電雙層膜130與有機感測層140間的界面I亦為實質上平坦的。在一些實施方式中，有機感測層140的上表面S2為實質上平坦的，因此感測元件100A不易在感測時受損，因此具有較長的使用壽命。

在一些實施方式中，感測元件100A進一步包括電阻測量元件150(Resistance measuring element)，其中，電阻測量元件150與導電基板110電性連結。舉例來說，電阻測量元件150可為歐姆計(Ohmmeter)或三用電表(Multimeter)。

如第4圖所示，電阻測量元件150藉由導線160與導電基板110的兩端連接以測量導電基板110、氧化鋅晶種層120、氧化鋅奈米柱122、具電雙層膜130及有機感測層140的電阻。

當有機感測層140吸附待測物或與待測物反應時，會造成有機感測層140的能障及電位改變，而促使具電雙層膜130中的電荷分佈改變。因此，具電雙層膜130中的電位也會隨之改變，使得電阻測量元件150所測得之電阻值會發生變化，藉由電阻值的變化可得知待測物的數量。換言之，導電基板110、氧化鋅晶種層120、氧化鋅奈米柱122、具電雙層膜130及有機感測層140可被視為一可變電阻。由於氧化鋅奈米柱122具有高表面積，且具電雙層膜130具有高電容，本揭示內容之感測元件100A會具有相當良好的靈敏度。亦即，本發明藉由具有高表面積的氧化鋅奈米柱122與具電雙層膜130增加表面積的接觸而使感測元件100A會具有相當良好的靈敏度。在其他實施例中，氧化鋅奈米柱122亦可以其他材質替代來達到本發明之增加表面積接觸之目的。

請參照第5圖，第5圖係根據一實施方式之感測元件100B在進行感測時的示意圖。感測元件100B包括導電基板110、氧化鋅晶種層120、氧化鋅奈米柱122、具電雙層膜130及有機感測層170。有機感測層包括至少一抗原Ag，待測物包括至少一抗體Ig。

第5圖的感測元件100B與第4圖的感測元件 100A的不同之處在於第5圖進一步繪示出有機感測層170具有至少一可與抗體Ig結合之抗原Ag，以及具電雙層膜130中的電雙層E。應注意的是，第5圖所繪示之電雙層E僅僅是示例性和解釋性的。

當有機感測層170中的抗原Ag與抗體Ig結合時，會促使有機感測層170的電位發生變化，而使得具電雙層膜130中的電荷分佈改變，因此，具電雙層膜130中的電位也會隨之改變，使得電阻測量元件150所測得之電阻值會發生變化，藉由電阻值的變化可得知抗體Ig的數量。

綜上所述，本揭示內容提供一種包含具電雙層膜的感測元件，其具有高靈敏度、使用壽命長且可預防氧化鋅奈米柱劣化的優點。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

1. 一種感測元件，包括：一導電基板；一氧化鋅晶種層，位於該導電基板上；複數根氧化鋅奈米柱，自該氧化鋅晶種層延伸出來；一具電雙層膜，覆蓋該些氧化鋅奈米柱，其中該具電雙層膜填入該些氧化鋅奈米柱間的間隙；以及一有機感測層，位於該具電雙層膜上。
2. 如請求項1所述之感測元件，其中該些氧化鋅奈米柱埋設於該具電雙層膜中。
3. 如請求項1所述之感測元件，其中該些氧化鋅奈米柱係藉由該具電雙層膜與該有機感測層分隔。
4. 如請求項1所述之感測元件，進一步包括一電阻測量元件，其中該電阻測量元件與該導電基板電性連結。
5. 如請求項1所述之感測元件，其中該具電雙層膜與該有機感測層間的一界面為實質上平坦的。
6. 如請求項1所述之感測元件，其中該具電雙層膜具有一實質上平坦的上表面。
7. 如請求項1所述之感測元件，其中該有機感測層具有一實質上平坦的上表面。
8. 如請求項1所述之感測元件，其中該具電雙層膜的材料包括含氟聚合物。
9. 如請求項1所述之感測元件，其中該有機感測層包括至少一抗原。