CN101223439B - 流体分析仪 - Google Patents

Abstract

一种气体分析仪(12)包括晶体管(1)，所述晶体管在其栅极(2)和其基于有机半导体(6)的导电沟道之间具有腔(7)。在工作时，来自被引入所述腔(7)的气体样本的成分可以被吸收到所述有机半导体(6)的暴露的吸收敏感的表面部分上。检测器(13)检测由吸收在所述暴露表面部分上的成分导致的晶体管阈值电压的变化。响应于对该变化检测，检测器生成表示所述样本中的所述成分的浓度的测量信号。

Description

流体分析仪

技术领域

本发明涉及流体分析仪，尤其涉及包括晶体管的流体分析仪。

背景技术

有很多种针对各种应用开发的晶体管器件。一些公知的晶体管已被用于检测和测量环境空气或呼出气体中的挥发性化合物的浓度。在“Electronic noises，principles and application，JW Gardner，PNBartlett，Oxford University Press，pp 101，1999”中描述了一种包括一个这样的晶体管的传感器。其中描述的传感器在挥发性化合物被吸收到晶体管栅极上之后，通过测量晶体管栅极的逸出功变化来检测挥发性化合物。该晶体管引入了基于无机硅的材料，该材料自身对于挥发性化合物的存在并不敏感。这些传感器的灵敏度有限，而且晶体管的栅极是昂贵且难以构造的悬浮式金属栅极。在“Handbook ofConducting Polymers，ed.TA Skotheim，RL Elsenbaumer，JR Reynolds，Marcel Dekker，New York，pp.963，(1998)”中，介绍了一种利用有机半导体来感测气体的晶体管。这种有机半导体的电子特性根据其上吸收的气体而变化，从而能够检测到气体。该晶体管包括公共栅极硅晶片、栅极绝缘体、漏极和源极。漏极和源极之间的沟道包括有机半导体，其一个面形成了与栅极绝缘体之间的界面。在其相对面上，有机半导体形成空气界面。随着气体被吸收到半导体/空气界面处的有机半导体上，半导体的电子特性发生变化，从而能感测到被吸收物质。包括有着这种布置的晶体管的气体传感器被认为仍相对不太灵敏。

在呼出气体中有几种生物标志可用于检测或控制疾病。呼出气体分析是一种可由病人自己在家中用来监测其健康的非侵害诊断或治疗方法。针对病人的需求为病人提供适当的呼吸分析仪。呼吸分析的最广泛用途之一是检测呼出气体中NO的存在与否，呼吸中NO的浓度可能会和病人哮喘的严重程度相关。

需要一种相对简单、不昂贵且灵敏的流体传感器。

发明内容

本发明的实施例旨在缓解上述问题。

根据本发明，提供了一种流体分析仪，其包括：包括栅极和半导体导电沟道的晶体管，其中该晶体管在所述栅极和所述半导体导电沟道之间限定腔，使得在使用时被引入所述腔中的流体样本的成分可以被吸收到所述半导体的暴露表面部分上；以及检测器，用于检测由吸收在所述半导体的所述暴露表面上的所述成分导致的所述晶体管的特性变化，并响应于该变化产生表示所述样本中所述成分的浓度的测量信号。

在示范性实施例中，该分析仪为气体分析仪，且半导体导电沟道为对生物标志的吸收敏感的有机半导体。

在示范性实施例中，所述晶体管的特性为阈值电压。

还提供了一种分析流体样本的方法，所述方法包括：将流体样本接收到晶体管中所述晶体管的栅极和半导体层之间限定的腔中，所述半导体层形成所述晶体管的导电沟道，使得所述流体的成分可以被吸收在所述半导体层的暴露表面部分上；检测由吸收在所述暴露表面部分上的所述成分导致的晶体管的特性变化，并响应于该变化产生表示所述样本中所述成分的浓度的信号。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的实施例。在附图中：

图1为晶体管的示意图；

图2为包括图1所示的晶体管的流体传感器的示意图。

具体实施方式

参考图1，其示出了场效应晶体管1(FET)。FET 1包括栅极2，栅极2典型地由重掺杂硅晶片构成。绝缘体材料3(可以是氧化硅)覆盖栅极2的表面的第一部分2a，形成第一绝缘体区域3a，覆盖栅极2的表面的第二部分2b，形成第二绝缘体区域3b，使得绝缘体材料中的间隙跨过栅极2的表面的第三部分2c延伸。在一些实施例中，在第三部分2c上沉积典型为金的金属层(未示出)，以形成电接触。

如果绝缘体层3由氧化硅构成，可以将其沉积为100nm到300nm范围的厚度，优选在200nm左右。可以对包括氧化硅的绝缘体层3进行热生长，通过光刻和蚀刻产生间隙。

在备选实施例中，绝缘体材料3可以包括有机聚合物或光致抗蚀剂(photolacquer)。如果绝缘体层3包括有机聚合物，可以通过模制形成第一区域3a和第二区域3b之间的间隙，绝缘体层3可以沉积到几微米的高度。如果绝缘体层包括光致抗蚀剂，可以通过曝光于紫外辐射并对曝光区域显影来形成间隙。

在绝缘体材料的第一区域3a上沉积源电极4(通常为金)，在绝缘体材料的第二区域3b上沉积漏电极5(通常也为金)。源电极4和漏电极5的典型厚度为20nm左右。

一层半导体材料6(在优选实施例中为有机半导体)从源电极4延伸到漏电极5，横跨栅极2表面的暴露的第三部分2c。于是，栅极2、绝缘体区域3a和3b、源电极4、漏电极5和半导体层6限定了空气腔7，在空气腔7中，栅极2表面的暴露的第三部分2c面对半导体层6的暴露的表面区域6a。最后，薄片保护层8(典型地包括聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯等)覆盖有机半导体层6。

如本领域技术人员所理解的，可以用公知的半导体器件制造技术制造FET 1，腔7由清洁空气或诸如干燥氮气的惰性气体填充。

实际上，气体腔7形成了栅极2和半导体层6之间的电介质。在工作中，FET的导电沟道在层6和腔7的界面附近通过漏极5和源极4之间的半导体层6延伸。

半导体层6和腔7之间的该界面使晶体管能够起到有效的气体传感器的作用。可以向空气腔或惰性气体腔7中引入清洁空气样本而不影响腔7的介电特性和FET 1的介电特性。不过，被引入腔7中的空气或呼出气体中的挥发物质可能会影响腔7的介电特性和OFET 1的电子特性。更具体而言，这样的挥发物质被吸收到半导体层6的暴露的表面区域6a上，在此处它们与FET的导电沟道接近，从而与其发生强烈的相互作用。正是这些相互作用影响了晶体管的电子特性，例如其阈值电压。

对于经适当校准的FET 1而言，由半导体/空气界面处吸收的特定成分(例如NO)导致的阈值电压变化的测量值指示出腔7中该物质的分压(或浓度)。构成半导体层6的材料的选择取决于OFET 1被设计用来检测的特定气体成分。例如，某些有机半导体，包括基于多芳基胺的那些有机半导体，对于NO吸收非常敏感，而且与NO易发生反应。将这种有机半导体用作NO检测器中所用的OFET 1中的半导体层6非常理想。为了获得良好的灵敏度，有机半导体层6优选具有5nm到5微米范围内的厚度，且最优选的范围为30nm到100nm。通过将适当的材料用于半导体层6，可以将本发明的实施例用于感测NO以及其他生物标志，例如丙酮、乙醇、一氧化碳和异戊二烯。

可以通过用标准技术首先形成栅极2、绝缘体层3以及源电极4和漏电极5来容易地构成包括有机半导体层6的有机FET 1。为了制成FET 1，可以用例如多芳基胺的有机半导体层6涂敷聚合物薄片8。然后可以如此放置该聚合物薄片8和有机半导体层6的柔性双层，使得有机半导体层6如图1所示与源电极4和漏电极5接触。

在优选实施例中，半导体层6的吸收表面较为光滑，粗糙度不超过50nm的Ra，优选粗糙度为5nm的Ra。

体现本发明的***可以检测到空气或呼出气体中较低浓度的挥发化合物的存在。例如，哮喘病人呼出的NO在十亿分之20到100(ppb)的范围中(与非哮喘病患者0到20ppb形成对比)，这是OFET1能检测到的浓度范围。

尚不了解被吸收物影响晶体管的电特性(包括阈值电压)的深层原理。这种影响可能是由于被吸收物在有机半导体层中产生新的掺杂物或被吸收物充当了界面偶极子。

在上述范例中，为了获得良好的测量灵敏度，腔7的宽度优选在0.5微米到500微米的范围内，最优选在10微米左右。

在上述范例中，在绝缘体层3中存在形成腔7的一部分的间隙。这不是必需的。在备选实施例中，绝缘体层可以跨越整个栅极2延伸。在这种实施例中，由绝缘体层3、半导体层6以及源电极4和漏电极5限定腔7。在这种实施例中，腔7的高度由漏电极4和源电极5的高度或厚度决定，优选大于20nm。在绝缘体层3中有间隙的实施例中，腔7的高度主要由绝缘体层3的厚度决定，典型地，对于氧化硅绝缘体而言在200nm左右，对于有机聚合物绝缘体层而言高达几个微米。

参考附图中的图2，该图示出了体现本发明的呼吸气体分析仪10，其适于用作哮喘检测的家庭健康护理设备。分析仪10包括连接到气体传感器单元13的口具11。气体传感器单元12包括以上参考图1所述的OFET 1，以及检测器和控制电路12。

在使用时，患者向口具1中呼出气体，口具将呼吸样本引导到腔7中。将口具1布置为以受控的流速和温度将样本引导到腔7，以进行测量。呼吸样本7通过腔7，允许样本中的NO分子吸附到有机半导体/空气界面上。检测器和控制电路12测量由NO吸附导致的OFET 1的阈值电压或其他电特性的任何变化，并作为响应，输出表示样本中NO浓度的信号(未示出)。

虽然上述实施例涉及气体分析仪，要理解的是，可以将本发明的实施例用于分析其他流体，例如液体。

这样已经参考优选实施例描述了本发明，很好理解的是，所论述的实施例仅为示范性的，而且，可以做出本领域具有适当知识和技术的人员所想到的修改和变化，而不背离如所附权利要求及其等同物所限定的精神和范围。在权利要求中，置于括号中的任何参考标号都不应被视为对权利要求的限制。“包括”一词及类似词语不排除存在任何权利要求或作为整体的说明书中所列举的元件或步骤之外的其他元件或步骤。对元件的单数引用不排除对这种元件的复数引用。

Claims (10)

1.一种流体分析仪，包括：

包括栅极和半导体导电沟道的晶体管，其中所述晶体管在所述栅极和所述半导体导电沟道之间限定腔，使得在使用时被引入到所述腔中的流体样本的成分可以被吸收到所述半导体的暴露表面部分上，与所述导电沟道发生相互作用，所述相互作用影响了所述晶体管的电子特性；以及

检测器，用于检测由吸收在所述半导体的所述暴露表面上的与所述导电沟道发生相互作用的所述成分导致的所述晶体管的特性的变化，并响应于所述变化产生表示所述样本中的所述成分的浓度的测量信号。

2.根据权利要求1所述的流体分析仪，其中所述半导体导电沟道为有机半导体。

3.根据权利要求2所述的流体分析仪，其中所述有机半导体包括多芳基胺。

4.根据权利要求1所述的流体分析仪，其中所述晶体管还包括形成在所述栅极的表面上的绝缘层，所述绝缘层使所述栅极的表面部分暴露，且其中所述栅极、所述半导体导电沟道和所述绝缘层一起基本上限定了所述腔，所述半导体的所述暴露表面部分面对所述栅极的所述暴露表面部分。

5.根据权利要求4所述的流体分析仪，其中所述晶体管还包括形成在所述绝缘体层的第一部分和所述半导体之间的源极以及形成在所述绝缘体层的第二部分和所述半导体之间的漏极。

6.根据权利要求1所述的流体分析仪，其中所述晶体管还包括形成在所述半导体的上表面上的保护层。

7.根据权利要求1所述的流体分析仪，其中所述晶体管的特性为其阈值电压。

8.根据权利要求1所述的流体分析仪，其中所述流体样本为呼吸样本，所述分析仪还包括用于将所述呼吸样本输送到所述腔的口具。

9.根据权利要求1所述的流体分析仪，其中所述成分为一氧化氮、丙酮、乙醇、一氧化碳和异戊二烯之一。

10.一种分析流体样本的方法，该方法包括：

将流体样本接收到晶体管中在该晶体管的栅极和半导体层之间限定的腔中，所述半导体层形成所述晶体管的导电沟道，使得所述流体样本的成分可以被吸收在所述半导体层的暴露表面部分上，与所述导电沟道发生相互作用，所述相互作用影响了所述晶体管的电子特性；

检测由吸收在所述暴露表面部分上的与所述导电沟道发生相互作用的所述成分所导致的所述晶体管的特性的变化，并响应于所述变化产生表示所述样本中的所述成分的浓度的信号。

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