基于納米線平臺的寬動態范圍流體傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于檢測流體中的物質濃度的器件。具體地，本發明涉及基于納米線的器件。
【背景技術】
[0002]用于生物物質檢測的基于諸如例如具有適當功能化表面的硅納米線FET和碳納米管之類的納米尺度場效應晶體管的傳感器對微小(低至飛摩爾)濃度的諸如蛋白質和DNA之類的生物分子的非常靈敏檢測具有巨大潛力。另外，當通過與活性物質接觸的表面的功能化應用合適的界面層時，這些器件對感測氣體來說也可能惹人關注。
[0003]在其中使用納米尺度場效應晶體管的所有應用中，存在同時感測多個目標分子的強烈期望。在液體或者氣體環境中，參考晶體管的使用具有關鍵性和決定性重要性，以便補償時間相關的漂移。
[0004]對于氣體傳感器的很多應用，諸如室內空氣質量(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態范圍相結合。質譜分析法是用于氣體檢測的標準方法。這一技術是靈敏的、選擇性的并且具有寬動態范圍，但也是昂貴的和龐大的。備選地，光學檢測，更具體地紅外(IR)吸收光譜學，正被用作氣體傳感器。這一技術是靈敏的和選擇性的，但是一個模塊僅可以檢測一種類型的分子并且測量設備是昂貴的和龐大的。電化學檢測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效應晶體管，其中納米線可以是η型或者P型雜質摻雜的。納米線的表面由特定耦合到它們定為目標的對應物的分子來功能化。目標分子上的電荷像柵極電極那樣影響納米線溝道的導電性。
【發明內容】
[0006]發明人已經認識到對于檢測器件的實際應用，需要高動態范圍，通常與低檢測極限結合。已知的檢測器器件的問題是，高靈敏度傳感器伴隨著低動態范圍。
[0007]本發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態范圍，優選地與高靈敏度相結合。
[0008]該目的利用如由獨立權利要求所限定的發明來實現。從屬權利要求提供有利的實施例。
[0009]根據本發明，提供了一種用于檢測流體樣本中的物質的濃度的器件。
[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的檢測。物質可以溶解或者懸浮在樣本中。物質可以包括離子、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先未知的低濃度或者高濃度存在的物質。物質可以是對生命有毒的，從而需要充分的濃度測定并且還需要連續的測定，從而防止在檢測之前的大量預處理(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端部的電接觸，以便執行相應納米線關于納米線特性的電表征，當具有物質的流體被帶到納米線附近時，納米線特性對物質的存在敏感。多根納米線中的納米線是單獨可訪問的。為此，優選地，納米線被并聯電連接在多個電接觸點之間。因此，在每根納米線的一個端部可以被電連接到同一個連接點的同時，那么每個另一端部必須單獨地接觸。如果納米線是一個或者多個晶體管的部分，則納米線的順序訪問可以使用單獨的門結構來實現。備選地，每根納米線是完全單獨電可訪問的，使得它們的端部形成用于每根納米線的分離接觸點，不管是否在晶體管中。
[0012]當待檢測的物質粒子或者分子來到納米線附近或者甚至附接至納米線時，納米線的可測量的電特性根據物質的數量而受影響，并且通過特性的測量，可以由此推斷物質的數量。數量可以是絕對數量或者諸如以每樣本體積、樣本質量或者樣本摩爾的物質的量之類的濃度數量。
[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制以便允許可靠性測量。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量來檢測流體樣本中物質的存在。受樣本隔間中的物質的可能存在影響的任何特性可以用于檢測目的。測量的電特性優選地是例如納米線的電流對電壓特性。優選地，該特性是其是具有柵極的晶體管的部分的納米線的。通過分析測量的特性，可以確定樣本中的物質的數量(濃度)。如果需要可以使用校準曲線。優選地，存在參考納米線，參考納米線在僅流體樣本(沒有物質)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納米線的檢測范圍不同。檢測范圍是流體樣本中的物質的最小和最大可檢測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的量限定，而最大可檢測量是如下的量，高于該量不會進一步觀測到相同電特性的增加，該量與飽和信號有關。于是檢測器件的總檢測范圍由全體納米線給出，即于是它是每根單獨納米線的檢測范圍的總和。
[0016]因此，本發明基于如下認識，具有高動態范圍的基于納米線的檢測器可以通過平行地布置具有不同動態范圍的若干單獨可訪問的納米線以用于測量流體中的物質而實現。由此，器件可以被配置使得器件的總動態范圍大于單獨納米線的相應動態范圍。優選地，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范圍一起形成比每個不同檢測范圍更大的基本上連續的檢測范圍。作為示例，如果第一納米線可以測量I與10之間的物質的濃度，并且第二納米線可以測量10與100之間的物質的濃度，那么納米線中的每根納米線的動態范圍是10，而包括相結合的這兩根納米線的器件的動態范圍將是100。本發明的器件是有利的，因為現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，可以制作檢測器件，其中可以通過納米線的數目和它們的動態范圍配置來選擇檢測范圍。此外，器件的靈敏度(與檢測極限有關)可以由最靈敏的納米線的配置獨立地設置。器件可以被設計為有能力檢測具有從10ppm或者更大劑量到1ppb的濃度的物質。因此，可以獲得具有改善的動態范圍和現有技術水平靈敏度的檢測器件。
[0017]因此，器件可以使用常規半導體材料來制作，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驗室解決方案集成，從而使用發展良好的制造技術并且需要現存生產線(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，不同的物質可以由一個器件同時檢測。本發明的進一步的優點是與已建立的處理方法的兼容性，意指傳感器器件可以以相對低的成本制造。
[0018]物質將對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構參數。所述多根納米線中的每根納米線可以包括表面區域和納米線體積，其中表面區域和體積的比例對于所述多根納米線中的不同納米線是不同的。比例越大，納米線對在其附近的物質的存在越敏感，并且反之亦然。檢測范圍的改變一一即不一定是檢測范圍的增加或者減少，而是簡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表面，檢測表面被暴露在其中樣本隔間延伸的納米線側面處。檢測表面可以被布置用于檢測物質的存在。
[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度、寬度或者高度(厚度)。優選地，于是改變長度或者寬度，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，則多個不同