專利名稱：使用薄膜感測部件的化學傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
示例性實施例涉及一種包括傳感部件的化學傳感器，該傳感器部件具有 相對大面積和在上電極使用的納米結(jié)構(gòu)(例如，納米線)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)進行通過測量人的呼吸中的化合物的成份來診斷疾病的研究。例如，
在肺癌患者和乳腺癌患者的情況下，與健康人不同，大約10種揮發(fā)性有機化
合物在呼吸時^^皮釋放。因此，分析揮發(fā)性有機化合物的組份的化學傳感器可 被用于檢測疾病?，F(xiàn)有的化學傳感器可使用化合物的下述特性測量化合物的
揮發(fā)性有機化合物(voc)可能相對穩(wěn)定，因此，會難以使用電方法分 析其組份?？墒褂脷庀嗌V(GC)來分析VOC,但是，傳感器可能相對大 并且昂貴。
使用半導體的傳感器具有一些優(yōu)點。例如，使用半導體的傳感器可能相 對便宜，以及可實時執(zhí)行檢測。另外，使用半導體的傳感器可相對小。但是， 與使用半導體的傳感器有關(guān)的檢測靈敏度會相對低，并且會難以檢測穩(wěn)定材
料，例如，voc。
已提出使用導電聚合物的voc測量傳感器。當導電聚合物吸附voc時， 由于各種原因(例如，導電聚合物的膨脹)導致導電聚合物的功函數(shù)變化， 從而可通過測量導電聚合物的功函數(shù)的變化來檢測voc。但是，使用導電聚
合物的傳感器也難以達到幾個ppm的檢測能力。所述難度的原因在于，感測 通道的體積過大以至于無法檢測根據(jù)吸附的材料的小的電改變。

發(fā)明內(nèi)容
示例性實施例包括一種化學傳感器，該化學傳感器具有通過使用具有大 的感測面積的薄膜感測部件而增加的檢測靈敏度。示例性實施例還公開了 一 種化學傳感器陣列。根據(jù)示例性實施例， 一種化學傳感器可包括第一電極，在基底上；感 測部件，在基底上覆蓋第一電極；多個第二電極，在感測部件的表面上，暴 露感測部件的表面。根據(jù)示例性實施例，化學傳感器可被構(gòu)造為測量當將被 感測的化合物吸附在感測部件上時電特性的變化。
根據(jù)示例性實施例， 一種化學傳感器陣列可包括在基底上以陣列形式布 置的多個上述的化學傳感器。根據(jù)示例性實施例，化學傳感器的感測部件可 被構(gòu)造為檢測相互不同的化合物。


通過下面結(jié)合附圖對示例性實施例進行的描述，這些和/或其他方面將會
變得清楚和更易于理解，其中
圖1是才艮據(jù)示例性實施例的化學傳感器結(jié)構(gòu)的示意透視圖2是根據(jù)示例性實施例的圖1的化學傳感器的平面圖3是根據(jù)示例性實施例的化學傳感器陣列的排列的示意平面圖4是根據(jù)示例性實施例的化學傳感器的示意平面圖5是根據(jù)示例性實施例的化學傳感器的示意平面圖6是根據(jù)示例性實施例的化學傳感器的示意平面圖7A至圖7C是根據(jù)示例性實施例的用于描述制造圖1的化學傳感器的
方法的透^L圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述示例性實施例，在附圖中示出了示例性實 施例。然而，示例性實施例可以以許多不同的形式來實施，且不應(yīng)該解釋為 局限于在這里所闡述的示例性實施例。相反，^提供這些示例性實施例使得本 公開將是徹底和完全的，并將示例性實施例的范圍充分地傳達給本領(lǐng)域技術(shù) 人員。在附圖中，為了清晰起見，會夸大組件的大小。
應(yīng)該理解的是，當元件或?qū)颖环Q作在另一元件或?qū)?上"、"連接到"或 "結(jié)合到，，另一元件或?qū)訒r，該元件或?qū)涌梢灾苯釉诹硪辉驅(qū)由?、直?連接或結(jié)合到另一元件或?qū)?，或者可以存在中間元件或中間層。相反，當元 件被稱作"直接，，在另一元件"上"、"直接連接到，，或"直接結(jié)合到"另一 元件或?qū)訒r，不存在中間元件或中間層。如在這里使用的，術(shù)語"和/或"包括一個或多個相關(guān)所列項的任意組合和所有組合。
應(yīng)該理解的是，盡管在這里可使用術(shù)語第一、第二等來描述不同的元件、 組件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)該 受這些術(shù)語的限制。這些術(shù)語僅是用來將一個元件、組件、區(qū)域、層或部分 與另一個元件、組件、區(qū)域、層或部分區(qū)分開來。因此，在不脫離示例性實 施例的教導的情況下，下面討-淪的第一元件、組件、區(qū)域、層或部分可被稱 作第二元件、組件、區(qū)域、層或部分。
在這里可使用空間相對術(shù)語，如"在…之下"、"在…下方"、"下面的"、 "在…上方"、"上面的，，等，用來描述如在圖中所示的一個元件或特征與其 它元件或特征的關(guān)系。應(yīng)該理解的是，空間相對術(shù)語意在包含除了在附圖中 描述的方位之外的裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附圖中的裝 置被翻轉(zhuǎn)，則描述為"在，，其它元件或特征"下方"或"之下"的元件隨后 將被定位為"在"其它元件或特征"上方"。因而，術(shù)語"在…下方"可包括
"在…上方"和"在…下方"兩種方位。所述裝置可被另外定位(旋轉(zhuǎn)90度 或者在其它方位)，并對在這里使用的空間相對描述符做出相應(yīng)的解釋。
在此描述的實施例通過理想示意圖的方式參照平面圖和/或剖面圖進行。 因此，根據(jù)制造技術(shù)和/或公差可修改示圖。因此，示例性實施例不應(yīng)該^v^ 限于在此示出的示圖，而包括基于制造工藝導致的構(gòu)造上的修改。因此，在 圖中示出的區(qū)域具有示意性屬性，并且在圖中示出的區(qū)域的形狀示意性示出 元件的形狀和區(qū)域，而不限于示例性實施例。
現(xiàn)在對附圖中示出的示例性實施例進行詳細的描述，其中，相同的標號 始終表示相同部件。在這點上，示例性實施例可具有不同形狀，并且不應(yīng)解 釋為限于在此闡述的描述。因此，下面通過參照附圖^f叉對示例性實施例進行 描述以解釋本發(fā)明的各方面。
圖1是根據(jù)示例性實施例的化學傳感器的IOO的示意透視圖。參照圖1， 第一納米線120可相互平行地設(shè)置在基底100上。第二納米線MO可在第一 納米線120之上^皮設(shè)置為相互平行，從而與第一納米線120交叉。如圖1所 示，第二納米線140可與第一納米線120分離。感測部件130可覆蓋第一納 米線120,并且可形成在第一納米線120與第二納米線140之間。
第一納米線120和第二納米線140中的每一個可具有大約10nm至大約 lOiim的寬度，并且可由金屬，例如，鋁、鈷、金或鉑形成。但是，示例性實施例不限于此。例如，第一納米線120和第二納米線140可由碳納米管或圖 案化的石墨烯形成。
第一納米線120之間的間隙Gl與第二納米線140之間的間隙G2可為大 約10nm至大約l(Vm。另外，可形成感測部件130以提供第一納米線120與 第二納米線140之間的大約10nm至大約lpm的間隙G3?？蓪⒌谝患{米線 120和第二納米線140稱為第一電極和第二電極。
感測部件130可由金屬氧化物、導電聚合物或絕緣聚合物形成。金屬氧 化物可是Sn02、 Ti02、 ZnO、 W03和Fe203中的一種。導電聚合物和絕緣聚 合物可浸漬(impregnate)有碳納米管、石墨烯或納米線。
導電聚合物由聚苯胺(polyaniline )、聚吡咯(polypyrrole )、聚噻吩 (polythiophene )、聚(乙晞-共-乙蜂基乙酸酯)(Poly(ethylene-co-vinyl acetate))、聚(苯乙烯-共-丁二烯)(Poly(styrene-co-butadiene))、聚(9-乙烯 基啼唑)(Poly(9-vinylcarbazole))、 聚(吡咯)/1- 丁烷磺酸酯 (Poly(pyrrole)/l-butanesulfonate， BSA )或聚(聯(lián)噻吩)/四丁基銨四氟硼酸 鹽(Poly(bithiophene)/tetrabutylammonium tetrafluoroborate， TBATFB )開j成。 絕緣聚合物可浸漬有導電材料，例如，碳黑，因此，可控制絕緣聚合物的導 電性。將BSA和TBATFB添加到與其對應(yīng)的聚合物。如果將絕緣聚合物用于 感測部件130,則第一納米線120與第二納米線140之間的電導性依賴于隨 穿電流。
圖2是根據(jù)示例性實施例的圖1的化學傳感器100的平面圖，為了方便， 未示出基底110。參照圖2，可將第一納米線120與第二納米線140設(shè)置為相 互垂直。第一納米線120的第一端可連接到第一電極焊盤122，第二納米線 140的第一端可連接到第二電極焊盤142。感測部件130可占據(jù)化學傳感器 100的大部分區(qū)域，從而，可增加化學傳感器100的靈敏度。為了方便，在 圖1中未示出第一電極焊盤122和第二電極焊盤142?？蓪㈦娏鞅?50設(shè)置 在第一電極焊盤122與第二電極焊盤142之間以測量它們之間的電流。
現(xiàn)在將描述才艮據(jù)示例性實施例的化學傳感器100的操作原理。當化合物 與化學傳感器100接觸時，可由化學傳感器100的感測部件130吸附該化合 物。在感測部件130中，可形成接觸件，例如，第一納米線120與第二納米 線140相互交叉的納米接觸陣列。吸附有化合物的感測部件130的電阻可變 化，可用電流差檢測電阻的變化。可將讀取電壓施加到第一電極焊盤122和第二電極焊盤142，并/人電流表150測量電流差?？筛鶕?jù)感測部件130和化 學傳感器100讀取電壓在幾mv至10VDC的范圍內(nèi)。當4全測到電流差時，可 根據(jù)電流差測量相應(yīng)的化合物的濃度。
在根據(jù)示例性實施例的化學傳感器100中，可按陣列和以納米大小排列 所述納米接觸，從而，雖然吸附了具有幾ppm濃度的化合物，但是可測量化 合物的濃度。另外，感測部件130可占用化學傳感器100的相對大面積，從 而可增加化學傳感器100的靈敏度。
相同的標號用于表示與圖1的化學傳感器100的元件實質(zhì)上相同的元件，從 而，將不重復對其的描述。
參照圖3，可將多個化學傳感器100以陣列形式設(shè)置在基底210上?；?學傳感器100的第一納米線可連接到第一電極焊盤122，化學傳感器100的 第二納米線140可連接到第二電極焊盤142。第一電極焊盤122和第二電極 焊盤142可連接到模式分析系統(tǒng)220。
當被分析物被吸附在第一納米線120與第二納米線140之間的感測部件 130上時，第一納米線120與第二納米線140之間的功函數(shù)可變化。這種功 函數(shù)的變化可表現(xiàn)為電阻性或?qū)щ娦缘牟町悺?br> 模式分析系統(tǒng)220可測量在每個化學傳感器100中的化合物的濃度。模 式分析系統(tǒng)220可根據(jù)在每個化學傳感器100中的化合物的吸附濃度來分析 電流特性。每一個化學傳感器100的感測部件130可具有相互不同的構(gòu)造。 例如，如果可通過改變感測部件130的種類和感測部件130的第一納米線120 與第二納米線140之間的間隙來控制每個化學傳感器100的感測部件130的
作為另一示例，不同的材料可用于每個感測部件130。例如，可由金屬 氧化物(例如，從由Sn02、 Ti02、 ZnO、 W03和Fe203組成的組中選取的金 屬氧化物)制成一個化學傳感器100中的感測部件130，并且另一化學傳感 器IOO的另一感測部件BO可由浸漬有碳納米管的導電聚合物制成。因此，
可基于預先準備的特性曲線來測量吸附的化合物的濃度。
圖4是根據(jù)示例性實施例的化學傳感器的示意平面圖。參照圖4,多個 第一納米線320可在基底310上設(shè)置為相互平^f亍，感測部件330可形成在基底310上并可覆蓋第一納米線320。多個第二納米線340可在感測部件330 上形成為相互平行。第一納米線320可連接到第一電極焊盤322，第二納米 線340可連4^到第二電極焊盤342。第二納米線340可形成為與第一納米線 320平行。在圖4中，可交替地形成第二納米線340與第一納米線320,但是， 示例性實施例不限于此。例如，第二納米線340可直接設(shè)置在第一納米線320 上方。圖4的化學傳感器300的操作與圖1的化學傳感器100的操作實質(zhì)上 相同，因此，在此不再重復對其的描述。
圖5是根據(jù)示例性實施例的化學傳感器400的示意平面圖。參照圖5， 具有平板形狀的第一電極420可形成在基底410上，感測部件430可形成在 第一電極420上。第二電極440可形成在感測部件430上。每個第二電極440 可由納米線形成。第一電極焊盤422可連接到第一電極420的第一端，第二 電極焊盤442可連接到第二電極440的第 一端。由于第 一 電極420可以是平 板形狀的電才及，因此制造第一電極420可以相對簡單，并且可根據(jù)需要減小 第一電極焊盤422的大小?；瘜W傳感器400的其它構(gòu)造可以與圖1的化學傳 感器100的構(gòu)造實質(zhì)上相同，從而，將不重復對其的描述。
圖6是根據(jù)示例性實施例的化學傳感器500的示意平面圖。參照圖6, 第二電極540可具有螺旋形狀。第二電極焊盤542可連接到第二電極540, 因此，與圖5的第二電極442相比，第二電極焊盤542的尺寸可很小?；瘜W 傳感器500的其它構(gòu)造與圖5的化學傳感器400的構(gòu)造實質(zhì)上相同，從而， 將不重復對其的描述。
圖7A至圖7C是根據(jù)示例性實施例的用于描述制造圖1的化學傳感器的 方法的透#見圖。參照圖7A,可將第一金屬層(未示出)(例如，Al、 Co、 Au 或Pt)設(shè)置在第一基底610上?？赏ㄟ^圖案化第一金屬層來形成相互平行的 多個第一納米線620。
參照圖7B，可使用旋轉(zhuǎn)涂覆方法將覆蓋第一納米線620的導電聚合物層 630形成在基底610上。導電聚合物603可形成為比第一納米線620高出數(shù) 十nm。例如，導電聚合物層630可形成為比第一納米線620高出大約10nm 至大約ljim。為此，可使用化學機械拋光(CMP)方法。
參照圖7C,可將第二金屬層(未示出)沉積在導電聚合物層630上。可 使用與用于形成第 一金屬層的材料相同的材料形成第二金屬層?？赏ㄟ^圖案 化第二金屬層來形成第二納米線640,使得第二納米線640與第一納米線620交叉。
盡管參照其示例性實施例具體示出和描述了本發(fā)明的示例性實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離所附權(quán)利要求的精神和范圍的情況下，可進行形式和細節(jié)上的各種^f奮改。
權(quán)利要求
1、一種化學傳感器，包括第一電極，在基底上；感測部件，覆蓋基底上的第一電極；多個第二電極，在感測部件的表面上，暴露感測部件的表面；其中，所述化學傳感器被構(gòu)造為當將被感測的化合物吸附在感測部件上時測量電特性的變化。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學傳感器，其中，所述多個第二電極的每個 具有10nm至10pm的寬度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學傳感器，其中，第一電極與所述多個第二 電極之間的間隙是10nm至lpm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學傳感器，其中，第一電極包括多個納米線， 所述多個第二電極中的每一個第二電極包括納米線。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的化學傳感器，其中，所述多個第二電極與第一 電極交叉。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的化學傳感器，其中，第一電極和所述多個第二 電才及相互平4亍。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學傳感器，其中，第一電極是平板電極。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的化學傳感器，其中，所述多個第二電極中的每 個電才及包括納米線。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的化學傳感器，其中，所述多個第二電極是螺旋 形狀的電極。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學傳感器，其中，感測部件包括從由金屬 氧化物、導電聚合物和絕緣聚合物組成的組中選擇的材料。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的化學傳感器，其中，金屬氧化物是從由Sn02、 Ti02、 ZnO、 W03和Fe203組成的組中選擇的一種材料。
12、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的化學傳感器，其中，聚合物浸漬有碳納米管、 石墨烯和納米線中的至少 一個。
13、 一種傳感器陣列，包括在基底上以陣列形式布置的多個權(quán)利要求1的化學傳感器，其中，化學傳感器的感測部件被構(gòu)造為檢測相互不同的化合物。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種使用薄膜感測部件的化學傳感器，所述化學傳感器可包括第一電極，在基底上；感測部件，覆蓋基底上的第一電極；多個第二電極，在感測部件的表面上，暴露感測部件的表面?；瘜W傳感器可構(gòu)造為當將被感測的化合物被吸附到感測部件上時測量電特性的變化。還提供一種包括化學傳感器的陣列的化學傳感器陣列。
文檔編號G01N27/12GK101685077SQ20091017423
公開日2010年3月31日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者崔赫洵, 洪起夏, 申在光, 金鐘燮 申請人:三星電子株式會社