專利名稱：一種微量電荷的測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微量電荷測(cè)量方法及裝置，尤其涉及一種生化領(lǐng) 域特異反應(yīng)的微量電荷測(cè)量方法及裝置。
背景技術(shù)：
對(duì)生物和化學(xué)成分的探測(cè)，識(shí)別或量化，主要是利用它們的特異性反應(yīng)這一性質(zhì)，比如DNA分子雜交，抗原抗體反應(yīng)等。 一般通過采 用放射性，熒光，染色或者類似的酶標(biāo)記反應(yīng)物來實(shí)現(xiàn)。但是，這些 傳統(tǒng)方法耗時(shí)且難以操作，所以重復(fù)性和實(shí)時(shí)性不高。由于，被探測(cè) 物發(fā)生特異性反應(yīng)的過程中會(huì)產(chǎn)生一些附加信號(hào)，例如溫度，電荷變 化等，所以，利用一個(gè)探測(cè)器將某一特定的附加信號(hào)轉(zhuǎn)化并放大成宜于探測(cè)的物理信號(hào)，例如厚度，折射率，電特性變化等，可以及時(shí)了解特異反應(yīng)的相關(guān)情形。特異性反應(yīng)的特點(diǎn)是一種反應(yīng)物只能與特 定的另一種反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)，而不能與其他的反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)，例如兩條互補(bǔ)DNA單鏈的配對(duì)，或者抗原抗體的反應(yīng)等。在生化領(lǐng)域進(jìn)行的特異反應(yīng)中，通過測(cè)量反應(yīng)過程中產(chǎn)生的電 荷，可以準(zhǔn)確掌握正在進(jìn)行的特異反應(yīng)的情況，進(jìn)而識(shí)別量化反應(yīng)物。 但是，對(duì)微量電荷的測(cè)量一直是測(cè)量領(lǐng)域存在的技術(shù)難題，尤其是對(duì) 微小電荷量的實(shí)時(shí)測(cè)量，在現(xiàn)有的測(cè)量方法中，所需要的裝置較為復(fù) 雜，并且精度較低。
美國專利US5， 869， 244和美國專利US6， 803， 229公開了利用 比較被探測(cè)物與探針雜交前后整個(gè)裝置的阻抗變化來間接測(cè)量被測(cè)物的方法在測(cè)量時(shí)通過外加低頻信號(hào)，測(cè)出場(chǎng)效應(yīng)管工作在積累、耗盡及反型等三個(gè)狀態(tài)下的柵極電流，從而得出裝置阻抗值。這種通 過測(cè)量柵極電流，算出被測(cè)物反應(yīng)前后阻抗相對(duì)柵極電壓變化量，從 而得出被測(cè)物情況的方法，對(duì)配套的信號(hào)處理工具要求較高，導(dǎo)致裝 置復(fù)雜，而且測(cè)量計(jì)算過程都比較繁瑣。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是，提供一種可以準(zhǔn)確測(cè)量微量電荷的裝置，尤其 是測(cè)量生化領(lǐng)域特異反應(yīng)過程中產(chǎn)生的微量電荷的裝置，通過改進(jìn)的 場(chǎng)效應(yīng)管，將微弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成較強(qiáng)的電信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡單，測(cè)量精度高。本發(fā)明的另一個(gè)目的是，提供一種可以準(zhǔn)確測(cè)量微量電荷的方 法，尤其適用于測(cè)量生化領(lǐng)域特異反應(yīng)過程中產(chǎn)生的微量電荷。該方 法通過利用場(chǎng)效應(yīng)原理，將微弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成較強(qiáng)的電信號(hào)，測(cè) 量精度高，操作簡單。本發(fā)明方案的一種測(cè)量微量電荷的裝置，基于傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn) 行改進(jìn)，其特征在于，場(chǎng)效應(yīng)管中源極和漏極之間的沒有柵極，探針 固定在電介質(zhì)層上，通常采用自組織單層膜的方式，自組織單層膜的 厚度與傳統(tǒng)柵極金屬厚度一樣。探針為參與特異反應(yīng)的一方反應(yīng)物， 當(dāng)反應(yīng)物與探針發(fā)生反應(yīng)時(shí)則釋放出被測(cè)電荷。在電介質(zhì)層中摻入一
定數(shù)量的電荷，摻入電介質(zhì)層的電荷數(shù)量范圍是75%^至125%&之間，其中^為2w =其中，^=&=ln叢"，4 =&r" V肌〃為注入電介質(zhì)層的電荷濃度，込,為襯底和電介質(zhì)層界面態(tài)電 荷濃度，^為襯底費(fèi)米勢(shì)，^是襯底的介電常數(shù)，iV。為襯底揍雜濃 度，n,是襯底電子本征濃度，"。為襯底電子濃度，p。為襯底空穴濃度， i,為襯底表面勢(shì)，g為單位電荷量，r為溫度，a為玻爾茲曼常數(shù)，ld 為德拜長度。對(duì)于込,，通過測(cè)量器件的電容-電壓關(guān)系來測(cè)出込.,是 一種常規(guī)的工藝檢測(cè)手段。本裝置更進(jìn)一步的特征在于電介質(zhì)層表面還可以有基底。當(dāng)電 介質(zhì)層表面有基底時(shí)，則探針以自組織單層膜的方式固定在基底。基 底是由電介質(zhì)材料制成，用二氧化硅具有良好的效果。采用本發(fā)明裝置進(jìn)行微量電荷測(cè)量，操作步驟簡單，測(cè)量精度高， 在測(cè)量生化領(lǐng)域特異反應(yīng)時(shí)具有很好的效果。本發(fā)明方案的一種測(cè)量微量電荷的方法，利用本發(fā)明裝置，其測(cè)量步驟包括A、測(cè)出襯底和電介質(zhì)層界面態(tài)電荷濃度込,的數(shù)值。ft,的數(shù)值是一個(gè)常量，是未去掉源極和漏極之間的柵極以前的數(shù)值。用c-v分析儀測(cè)出襯底一電介質(zhì)一柵極結(jié)構(gòu)的電容特性，即該結(jié)構(gòu)的電容值 隨柵極電壓變化的關(guān)系。通過比較襯底—電介質(zhì)一柵極的實(shí)際結(jié)構(gòu)(有界面態(tài))與理想結(jié)構(gòu)(沒有界面態(tài))的柵極電壓的偏移量可以計(jì) 算出ft,。通過測(cè)量器件的電容-電壓關(guān)系來測(cè)出込,是一種常規(guī)的工 藝檢測(cè)手段。B、計(jì)算出在電介質(zhì)層中摻入的電荷數(shù)量，摻入電介質(zhì)層的電荷數(shù)量范圍是75%^至125%^之間，其中^為哉 1<formula>formula see original document page 7</formula>^為注入電介質(zhì)層的電荷濃度，込,為襯底和電介質(zhì)層界面態(tài)電 荷濃度，^為襯底費(fèi)米勢(shì)，s,是襯底的介電常數(shù)，^為襯底摻雜濃度，w,是襯底電子本征濃度，n。為襯底電子濃度，p。為襯底空穴濃度，^為襯底表面勢(shì)，g為單位電荷量，r為溫度，；t為玻爾茲曼常數(shù)，iD 為德拜長度。c、在電介質(zhì)層中摻入步驟B中的電荷數(shù)量。本發(fā)明向電介質(zhì)層摻入電荷的方法是離子注入法，已經(jīng)屬于公知 技術(shù)。當(dāng)引入上述數(shù)量的電荷時(shí)，可達(dá)到場(chǎng)效應(yīng)的弱反型狀態(tài)。達(dá)到弱 反型狀態(tài)后，被測(cè)電荷的微小變化就會(huì)引起平帶電壓較大的變化。平 帶電壓的變化會(huì)引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的許多其他電學(xué)特性的改變，比如，柵 極電壓，電流，阻抗等，從而實(shí)現(xiàn)生化信號(hào)到電信號(hào)，微弱信號(hào)到強(qiáng) 信號(hào)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)引入上述數(shù)量的電荷時(shí)，達(dá)到場(chǎng)效應(yīng)的弱反型狀態(tài)。這時(shí)，用探測(cè)器件可以對(duì)電介質(zhì)層表面的微量電荷進(jìn)行測(cè)量。D、 在電介質(zhì)層上固定探針。探針為參與特異反應(yīng)的 一方反應(yīng)物。 探針固定在電介質(zhì)層的方式通常采用自組織單層膜的方式，自組織單 層膜的厚度與傳統(tǒng)柵極金屬厚度一樣。自組織單層膜的固定方式是現(xiàn) 有技術(shù)，為技術(shù)人員所熟知。E、 在柵極和襯底之間加電壓。F、 在源極和漏極之間加固定的偏置電壓，并用電流探測(cè)器探測(cè) 源極和漏極之間的電流。G、 加入反應(yīng)物與探針反應(yīng)釋放出被測(cè)電荷。H、 調(diào)整柵極和襯底之間的電壓偏置，以保證源極和漏極之間的電流不變。I、 測(cè)量柵極偏置電壓的變化量。J、計(jì)算出電介質(zhì)層表面的微量電荷。其中，<formula>formula see original document page 8</formula>其中a為襯底感應(yīng)電荷濃度，^為被測(cè)電荷濃度，K為襯底 表面勢(shì)，^為柵極電壓，^電介質(zhì)層電勢(shì)差，G電介質(zhì)層電容，￡D 德拜長度。本測(cè)量方法進(jìn)一步的特征在于電介質(zhì)層表面還可以有基底。當(dāng)電介質(zhì)層表面有基底時(shí)，則探針 固定在基底表面，探針和基底固定的方式通常采用自組織單層膜的方 式，自組織單層膜的厚度與傳統(tǒng)柵極金屬厚度一樣?；资怯呻娊橘|(zhì) 材料制成，用二氧化硅具有良好的效果。當(dāng)探針與反應(yīng)物發(fā)生特異反應(yīng)時(shí)， 一般會(huì)產(chǎn)生電荷的微量變化， 通過探測(cè)器件測(cè)出電流、電壓等參數(shù)，則可以準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)電荷，從 而清楚地了解特異反應(yīng)的進(jìn)行程度。采用本方法發(fā)明進(jìn)行微量電荷測(cè)量，測(cè)量精度高。尤其在測(cè)量生 化領(lǐng)域特異反應(yīng)方面具有很好的效果。


圖l是本發(fā)明所屬測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l請(qǐng)參見圖l。如圖l所示的一種利用場(chǎng)效應(yīng)管測(cè)量微量電荷的裝置，場(chǎng)效應(yīng)管源極5和漏極9之間沒有柵極。襯底1為P型硅，電介質(zhì)層2為二氧化硅層，基底3為二氧化硅層， 柵極7為金屬鋁，探針4為寡聚核苷酸列硅烷一 GGCTATTCGATATGGCTATTG,探針4以自組織單層膜的方式固定在基底3 上。計(jì)算出電介質(zhì)層2摻雜的電荷濃度為e,^9.768x10、/，3，實(shí)際摻 入電荷為0d =8.812x10-9《/cm3 。實(shí)施例2利用實(shí)施例l中的測(cè)量微量電荷的裝置，參數(shù)如下 《=1.6021x10-"C基元電荷量，^=1.03x10-'2襯底介電常數(shù)， & = 1.38054><10-23玻爾茲曼常數(shù)，7 = 30(^溫度， =4xl05/cm3襯底電子濃度，/ 。=1><1015/，3襯底空穴濃度， & =3.4515x10-13電介質(zhì)層介電常數(shù)，《=3xlO-7m電解質(zhì)層厚度。(1)使用590/lM C-V分析儀測(cè)量出襯底l和電解質(zhì)層2界面態(tài)電 荷、濃度& = 1.6021 x 10— / c附3;(2 )計(jì)算出摻入電介質(zhì)層2摻雜的電荷濃度為 & =9.768x10—Vc附3(3) 向電介質(zhì)層2中摻入^ =8.812x10-~/，3濃度的電荷；(4) 在電介質(zhì)層2固定二氧化硅基底3;(5) 在基底3上固定探針4，探針4為寡聚核苷酸列硅烷一 GGCTATTCGATATGGCTATTG，濃度為lx10—15脂//，2;(6) 在柵極和襯底之間加電壓0.075V;(7) 漏極和源極偏置電壓0.5V，電流75微安；(8) 加入反應(yīng)物CCGATAAGCTATACCGATAAC，濃度為(12附g/m/ );(9) 調(diào)整柵極和襯底之間的電壓偏置，以保證源極和漏極之間 的電流不變；(10) 柵極電壓變化量為O.l V;(11) 計(jì)算出電荷濃度為-2x10-、/，2 。實(shí)施例3利用實(shí)施例l中的測(cè)量微量電荷的裝置，參數(shù)如下 g二1.6021xl(T"C基元電荷量，s、 =1.03x10-12襯底介電常數(shù)，yt = 1.38054 x l(T23玻爾茲曼常數(shù)，T = 300/C溫度， w。 =4xl05/cm3襯底電子濃度，p。 =lxl015 /cm3襯底空穴濃度， & =3.4515x10-13電介質(zhì)層介電常數(shù)，《=3x10-7m電解質(zhì)層厚度。(1)使用590/lM C-V分析儀測(cè)量出襯底l和電解質(zhì)層2界面態(tài)電 荷濃度2,, = 1.6021 x 10—9《/cw3;(2 )計(jì)算出摻入電介質(zhì)層2摻雜的電荷濃度為 g,d =9.768xlOV，3(3 )向電介質(zhì)層2中摻入& = 12.21 x 10-9 g/cm3濃度的電荷；(4) 在電介質(zhì)層2固定二氧化硅基底3;(5) 在基底3上固定探針4，寡聚核苷酸列硅垸一 GGCTATTCGATATGGCTATTG (1x10—15 w。//，2 );(6) 在柵極和襯底加電壓0.025V;(7) 漏極和源極偏置電壓0.5V，電流50微安；(8) 加入被測(cè)反應(yīng)物CCGATAAGCTATACCGATAAC (12mg/m/);(9) 調(diào)整柵極和襯底之間的電壓偏置，以保證源極和漏極之間
的電流不變；(10) 柵極電壓變化量為O. 175V;(11) 電荷濃度為-3x10-9《/c附2 。實(shí)施例4利用實(shí)施例1中的測(cè)量微量電荷的裝置，參數(shù)如下 《二1.6021xl(T'9C基元電荷量，& =1.03x10-12襯底介電常數(shù)，A; = 1.38054x10-23玻爾茲曼常數(shù)，r = 300尺溫度， "Q=4xl05/cm3襯底電子濃度，/7。=1><1015/，3襯底空穴濃度， & =3.4515x10-13電介質(zhì)層介電常數(shù)，4=3"0、電解質(zhì)層厚度。(1)使用590/lM C-V分析儀測(cè)量出襯底l和電解質(zhì)層2界面態(tài)電 荷濃度fts = 1.6021 x 10-9《/ c附3;(2 )計(jì)算出摻入電介質(zhì)層2摻雜的電荷濃度為 Qd =9.768 xl(T /cm3(3 )向電介質(zhì)層2中摻入0d = 7.326x 10-9 g/cm3濃度的電荷；(4) 在電介質(zhì)層2固定二氧化硅基底3;(5) 在基底3上固定探針4，寡聚核苷酸列硅垸一 GGCTATTCGATATGGCTATTG (lx10—15,//，2 );(6) 在柵極和襯底之間加電壓0.01V(7) 漏極和源極偏置電壓0.5V，電流63微安；(8) 加入被測(cè)反應(yīng)物CCGATAAGCTATACCGATAAC (12，/W);(9) 調(diào)整柵極和襯底之間的電壓偏置，以保證源極和漏極之間 的龜流不變；
(10) 柵極電壓變化量為0.09V;(11) 電荷濃度為-2.4x10-、/cw2。
權(quán)利要求
1、一種利用場(chǎng)效應(yīng)管測(cè)量微量電荷的裝置，其特征在于源極(5)和漏極(6)之間沒有柵極，電介質(zhì)層(2)中摻入75％Qid至125％Qid之間的電荷數(shù)量，探針(4)固定在電介質(zhì)層(2)上。
2、 一種如權(quán)利要求l所述的測(cè)量微量電荷的裝置，其特征在于，探針(4) 以自組織單層膜的方式固定在電介質(zhì)層(2)上。
3、 一種如權(quán)利要求l所述的測(cè)量微量電荷的裝置，其特征在于，基底(3) 固定在電介質(zhì)層(2)，探針(4)以自組織單層膜的方式固定在基底(3)。
4、 一種如權(quán)利要求3所述的測(cè)量微量電荷的裝置，其特征在于，基底(3) 由電介質(zhì)材料制成。
5、 一種如權(quán)利要求3或4之一所述的測(cè)量微量電荷的裝置，其特征在于， 基底(3)由二氧化硅材料制成。
6、 一種利用權(quán)利要求l結(jié)構(gòu)的微量電荷測(cè)量方法，測(cè)量步驟包括A、 測(cè)出襯底(1)和電介質(zhì)層(2)界面態(tài)電荷濃度込,的數(shù)值；B、 計(jì)算出在電介質(zhì)層(2)摻入的電荷數(shù)量，該電荷數(shù)量范圍為75%&至哉125% 0,， & =C、 在電介質(zhì)層(2)中摻入步驟B中的電荷數(shù)量；D、 在電介質(zhì)層(2)上固定探針(4);E、 在柵極(7)和襯底(1)之間加電壓；F、 在源極(5)和漏極(6)之間加固定的偏置電壓，并用電流探測(cè)器探測(cè) 源極(5)和漏極(6)之間的電流；G、 加入反應(yīng)物與探針(4)，反應(yīng)釋放出被測(cè)電荷；H、 調(diào)整柵極(7)和襯底(1)之間的電壓偏置，以保證源極(5)和漏極(6)之間的電流不變；I、 測(cè)量柵極(7)偏置電壓的變化量；J、計(jì)算出電介質(zhì)層(2)表面的微量電荷。
7、 一種如權(quán)利要求6所述的微量電荷測(cè)量方法，其特征在于，探針(4) 以自組織單層膜方式固定在電介質(zhì)層(2)上。
8、 一種如權(quán)利要求6所述的微量電荷測(cè)量方法，其特征在于，步驟E中， 基底(3)固定于電介質(zhì)層(2)，基底(3)上固定有探針(4)。
9、 一種如權(quán)利要求8所述的微量電荷測(cè)量方法，其特征在于，基底(3) 和探針(4)以自組織單層膜的方式固定在電介質(zhì)層(2)。
10、 一種如權(quán)利要求8、 9其中之一所述的微量電荷測(cè)量方法，其特征在于， 基底(3)的材料是電介質(zhì)。
11、 一種如權(quán)利要求10所述的微量電荷測(cè)量方法，其特征在于基底(3) 的材料是二氧化硅。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種測(cè)量微量電荷的裝置以及利用該裝置測(cè)量微量電荷的方法。基于傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行改進(jìn)，源極(5)和漏極(6)之間沒有柵極，電介質(zhì)層(2)中摻入75％Q_id至125％Q_id之間的電荷數(shù)量，探針(4)固定在電介質(zhì)層(2)上，其中，Q_id如圖。本發(fā)明涉及的測(cè)量微量電荷的方法，測(cè)量步驟包括利用本發(fā)明裝置，在柵極(7)和襯底(1)之間加電壓；在源極(5)和漏極(6)之間加固定的偏置電壓，測(cè)出源極(5)和漏極(6)之間的電流；加入反應(yīng)物與探針(4)，反應(yīng)釋放出被測(cè)電荷；調(diào)整柵極(7)和襯底(1)之間的電壓偏置，以保證源極(5)和漏極(6)之間的電流不變；測(cè)量柵極(7)偏置電壓的變化量；計(jì)算出電介質(zhì)層(2)表面的微量電荷。
文檔編號(hào)G01R29/24GK101118235SQ200710052220
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2007年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月22日
發(fā)明者晶 劉, 周治平, 陳金林 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)