基于納米線平臺(tái)的寬動(dòng)態(tài)范圍流體傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于檢測(cè)流體中的物質(zhì)濃度的器件。具體地，本發(fā)明涉及基于納米線的器件。
【背景技術(shù)】
[0002]用于生物物質(zhì)檢測(cè)的基于諸如例如具有適當(dāng)功能化表面的硅納米線FET和碳納米管之類的納米尺度場(chǎng)效應(yīng)晶體管的傳感器對(duì)微小(低至飛摩爾)濃度的諸如蛋白質(zhì)和DNA之類的生物分子的非常靈敏檢測(cè)具有巨大潛力。另外，當(dāng)通過與活性物質(zhì)接觸的表面的功能化應(yīng)用合適的界面層時(shí)，這些器件對(duì)感測(cè)氣體來說也可能惹人關(guān)注。
[0003]在其中使用納米尺度場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所有應(yīng)用中，存在同時(shí)感測(cè)多個(gè)目標(biāo)分子的強(qiáng)烈期望。在液體或者氣體環(huán)境中，參考晶體管的使用具有關(guān)鍵性和決定性重要性，以便補(bǔ)償時(shí)間相關(guān)的漂移。
[0004]對(duì)于氣體傳感器的很多應(yīng)用，諸如室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)管理、HVAC、哮喘、心血管診斷和溫室控制，需要高靈敏度與寬動(dòng)態(tài)范圍相結(jié)合。質(zhì)譜分析法是用于氣體檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法。這一技術(shù)是靈敏的、選擇性的并且具有寬動(dòng)態(tài)范圍，但也是昂貴的和龐大的。備選地，光學(xué)檢測(cè)，更具體地紅外(IR)吸收光譜學(xué)，正被用作氣體傳感器。這一技術(shù)是靈敏的和選擇性的，但是一個(gè)模塊僅可以檢測(cè)一種類型的分子并且測(cè)量設(shè)備是昂貴的和龐大的。電化學(xué)檢測(cè)也可以被使用但是未提供合適的靈敏度或者選擇性。
[0005]US2010/0243990公開了用于檢測(cè)生物分子的基于納米線的傳感器器件。器件基于硅納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中納米線可以是η型或者P型雜質(zhì)摻雜的。納米線的表面由特定耦合到它們定為目標(biāo)的對(duì)應(yīng)物的分子來功能化。目標(biāo)分子上的電荷像柵極電極那樣影響納米線溝道的導(dǎo)電性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到對(duì)于檢測(cè)器件的實(shí)際應(yīng)用，需要高動(dòng)態(tài)范圍，通常與低檢測(cè)極限結(jié)合。已知的檢測(cè)器器件的問題是，高靈敏度傳感器伴隨著低動(dòng)態(tài)范圍。
[0007]本發(fā)明的目的是提供基于納米線的傳感器，其有能力提供改善的動(dòng)態(tài)范圍，優(yōu)選地與高靈敏度相結(jié)合。
[0008]該目的利用如由獨(dú)立權(quán)利要求所限定的發(fā)明來實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求提供有利的實(shí)施例。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于檢測(cè)流體樣本中的物質(zhì)的濃度的器件。
[0010]流體可以指氣體和液體二者，并且器件因此適合用于液體和氣體二者中的物質(zhì)的檢測(cè)。物質(zhì)可以溶解或者懸浮在樣本中。物質(zhì)可以包括離子、分子、分子配合物、粒子。具體地，它們可以是可以在流體中以預(yù)先未知的低濃度或者高濃度存在的物質(zhì)。物質(zhì)可以是對(duì)生命有毒的，從而需要充分的濃度測(cè)定并且還需要連續(xù)的測(cè)定，從而防止在檢測(cè)之前的大量預(yù)處理(稀釋)。
[0011]納米線是電可訪問的，意指可能形成至每根納米線的每個(gè)端部的電接觸，以便執(zhí)行相應(yīng)納米線關(guān)于納米線特性的電表征，當(dāng)具有物質(zhì)的流體被帶到納米線附近時(shí)，納米線特性對(duì)物質(zhì)的存在敏感。多根納米線中的納米線是單獨(dú)可訪問的。為此，優(yōu)選地，納米線被并聯(lián)電連接在多個(gè)電接觸點(diǎn)之間。因此，在每根納米線的一個(gè)端部可以被電連接到同一個(gè)連接點(diǎn)的同時(shí)，那么每個(gè)另一端部必須單獨(dú)地接觸。如果納米線是一個(gè)或者多個(gè)晶體管的部分，則納米線的順序訪問可以使用單獨(dú)的門結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。備選地，每根納米線是完全單獨(dú)電可訪問的，使得它們的端部形成用于每根納米線的分離接觸點(diǎn)，不管是否在晶體管中。
[0012]當(dāng)待檢測(cè)的物質(zhì)粒子或者分子來到納米線附近或者甚至附接至納米線時(shí)，納米線的可測(cè)量的電特性根據(jù)物質(zhì)的數(shù)量而受影響，并且通過特性的測(cè)量，可以由此推斷物質(zhì)的數(shù)量。數(shù)量可以是絕對(duì)數(shù)量或者諸如以每樣本體積、樣本質(zhì)量或者樣本摩爾的物質(zhì)的量之類的濃度數(shù)量。
[0013]多根納米線包括至少兩根納米線。納米線的量可以等于和/或大于3、4、5、10、20以及甚至50。它們可以以器件的相同圖案化工藝來方便地制造。每根納米線可以被復(fù)制以便允許可靠性測(cè)量。絕緣材料可以是任何電絕緣材料。材料首先防止納米線與樣本流體短路。絕緣材料優(yōu)選地是氧化物，諸如例如氧化硅(Si02)或者氧化鈦(Ti02)或其混合物。絕緣材料可以包括暴露于樣本流體的表面。
[0014]布置樣本隔間使得樣本被帶到每根納米線附近或者與每根納米線接觸，每根納米線至少包括絕緣材料。由相應(yīng)的絕緣材料覆蓋的納米線中的每根納米線因此被布置用于通過納米線的電特性的測(cè)量來檢測(cè)流體樣本中物質(zhì)的存在。受樣本隔間中的物質(zhì)的可能存在影響的任何特性可以用于檢測(cè)目的。測(cè)量的電特性優(yōu)選地是例如納米線的電流對(duì)電壓特性。優(yōu)選地，該特性是其是具有柵極的晶體管的部分的納米線的。通過分析測(cè)量的特性，可以確定樣本中的物質(zhì)的數(shù)量(濃度)。如果需要可以使用校準(zhǔn)曲線。優(yōu)選地，存在參考納米線，參考納米線在僅流體樣本(沒有物質(zhì))附近。
[0015]器件的多根納米線中的不同納米線被配置使得每根單獨(dú)納米線的檢測(cè)范圍不同。檢測(cè)范圍是流體樣本中的物質(zhì)的最小和最大可檢測(cè)量或者濃度之間的范圍。最小量由未給出納米線的電特性改變的物質(zhì)的量限定，而最大可檢測(cè)量是如下的量，高于該量不會(huì)進(jìn)一步觀測(cè)到相同電特性的增加，該量與飽和信號(hào)有關(guān)。于是檢測(cè)器件的總檢測(cè)范圍由全體納米線給出，即于是它是每根單獨(dú)納米線的檢測(cè)范圍的總和。
[0016]因此，本發(fā)明基于如下認(rèn)識(shí)，具有高動(dòng)態(tài)范圍的基于納米線的檢測(cè)器可以通過平行地布置具有不同動(dòng)態(tài)范圍的若干單獨(dú)可訪問的納米線以用于測(cè)量流體中的物質(zhì)而實(shí)現(xiàn)。由此，器件可以被配置使得器件的總動(dòng)態(tài)范圍大于單獨(dú)納米線的相應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍。優(yōu)選地，多根納米線中的納米線被配置使得多根納米線中的每一根納米線的不同檢測(cè)范圍一起形成比每個(gè)不同檢測(cè)范圍更大的基本上連續(xù)的檢測(cè)范圍。作為示例，如果第一納米線可以測(cè)量I與10之間的物質(zhì)的濃度，并且第二納米線可以測(cè)量10與100之間的物質(zhì)的濃度，那么納米線中的每根納米線的動(dòng)態(tài)范圍是10，而包括相結(jié)合的這兩根納米線的器件的動(dòng)態(tài)范圍將是100。本發(fā)明的器件是有利的，因?yàn)楝F(xiàn)在在將它們提供給傳感器之前，樣本不需要稀釋以便防止飽和。此外，可以制作檢測(cè)器件，其中可以通過納米線的數(shù)目和它們的動(dòng)態(tài)范圍配置來選擇檢測(cè)范圍。此外，器件的靈敏度(與檢測(cè)極限有關(guān))可以由最靈敏的納米線的配置獨(dú)立地設(shè)置。器件可以被設(shè)計(jì)為有能力檢測(cè)具有從10ppm或者更大劑量到1ppb的濃度的物質(zhì)。因此，可以獲得具有改善的動(dòng)態(tài)范圍和現(xiàn)有技術(shù)水平靈敏度的檢測(cè)器件。
[0017]因此，器件可以使用常規(guī)半導(dǎo)體材料來制作，并且因此適合用于與基于CMOS的電路集成或者與已有的芯片實(shí)驗(yàn)室解決方案集成，從而使用發(fā)展良好的制造技術(shù)并且需要現(xiàn)存生產(chǎn)線(fabs)工藝的最小適配。器件還可以有利地與諸如溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器等之類的其他類型的傳感器組合。另外，通過選擇不同的絕緣材料以用于不同的納米線，不同的物質(zhì)可以由一個(gè)器件同時(shí)檢測(cè)。本發(fā)明的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是與已建立的處理方法的兼容性，意指?jìng)鞲衅髌骷梢砸韵鄬?duì)低的成本制造。
[0018]物質(zhì)將對(duì)納米線的特性造成的影響的程度依賴于納米線和附加層的成分以及結(jié)構(gòu)參數(shù)。所述多根納米線中的每根納米線可以包括表面區(qū)域和納米線體積，其中表面區(qū)域和體積的比例對(duì)于所述多根納米線中的不同納米線是不同的。比例越大，納米線對(duì)在其附近的物質(zhì)的存在越敏感，并且反之亦然。檢測(cè)范圍的改變一一即不一定是檢測(cè)范圍的增加或者減少，而是簡(jiǎn)單地不同的范圍一一伴隨著比例的改變。納米線可以具有檢測(cè)表面，檢測(cè)表面被暴露在其中樣本隔間延伸的納米線側(cè)面處。檢測(cè)表面可以被布置用于檢測(cè)物質(zhì)的存在。
[0019]為了改變多根納米線中的不同納米線之間的比例，可以使用納米線的長(zhǎng)度、寬度或者高度(厚度)。優(yōu)選地，于是改變長(zhǎng)度或者寬度，而厚度(垂直于襯底層延伸)保持恒定。如果多根納米線被布置在平面襯底中，則多個(gè)不同