感的選擇性離子敏感膜。
[0255][附錄11]
[0256]如附錄I至9中任一項所述的TFT離子傳感器，其中，
[0257]在所述離子敏感絕緣膜上固化通過與底物發(fā)生反應而改變離子敏感絕緣膜附近的氫離子濃度的酶。
[0258][附錄12]
[0259]如附錄I至9中任一項所述的TFT離子傳感器，其中，
[0260]在所述離子敏感絕緣膜上設(shè)置對特定生物物質(zhì)敏感并通過與所述生物物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生電位變化的蛋白質(zhì)、糖、D NA或RNA。
[0261][附錄13]
[0262]如附錄I至12中任一項所述的TFT離子傳感器，其中，
[0263]所述柵極絕緣膜和所述離子敏感絕緣膜由實質(zhì)上相同的材料形成，并且
[0264]所述柵極絕緣膜的膜厚比所述離子敏感絕緣膜的膜厚大。
[0265][附錄14]
[0266]如附錄I至12中任一項所述的TFT離子傳感器，其中，
[0267]所述離子敏感絕緣膜的實質(zhì)構(gòu)成材料的相對介電常數(shù)比所述柵極絕緣膜的實質(zhì)構(gòu)成材料的相對介電常數(shù)大。
[0268][附錄15]
[0269]如附錄I至14中任一項所述的TFT離子傳感器，其中，
[0270]在所述半導體活性層中不產(chǎn)生空穴的積聚。
[0271][附錄16]
[0272]如附錄I至15中任一項所述的TFT離子傳感器，其中，
[0273]所述半導體活性層由氧化物半導體形成。
[0274][附錄17]
[0275]如附錄I至16中任一項所述的TFT離子傳感器，其中，
[0276]所述柵極絕緣膜的所述實質(zhì)構(gòu)成材料是由從氧化硅、氮化硅以及氧化鋁中選擇的一者形成的單層膜、或者是由氧化硅、氮化硅以及氧化鋁中的兩者或更多者形成的層疊膜。
[0277][附錄18]
[0278]如附錄I至17中任一項所述的TFT離子傳感器，其中，
[0279]所述半導體活性層和所述離子敏感絕緣膜之間的界面中的缺陷密度被抑制到I X 121CnT3或更小。
[0280][附錄19]
[0281]一種TFT離子傳感器裝置，包括:
[0282]TFT離子傳感器，所述TFT離子傳感器包括:半導體活性層，源電極和漏電極連接至所述半導體活性層；柵極絕緣膜和柵電極，所述柵極絕緣膜和所述柵電極設(shè)置在所述半導體活性層的一個表面上；離子敏感絕緣膜，所述離子敏感絕緣膜設(shè)置在所述半導體活性層的另一表面上；以及參照電極，所述參照電極設(shè)置在與所述離子敏感絕緣膜在空間上分離的位置上，其中，所述離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比所述柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大；以及
[0283]檢測電路，所述檢測電路通過以所述源電極的電位為基準向所述參照電極提供恒定電位，在所述源電極和所述漏電極之間提供恒定電位差，控制所述柵電極和所述源電極之間的電位差使得恒定電流流經(jīng)所述源電極和所述漏電極之間，并輸出所述柵電極和所述源電極之間的電位差或者與該電位差相對應的電壓。
[0284][附錄20]
[0285]如附錄19所述的TFT離子傳感器裝置，其中，
[0286]所述檢測電路包括使所述源電極和所述漏電極之間的電位差固定的恒定電壓電路以及與所述源電極連接的恒定電流電路；
[0287]所述恒定電壓電路包括輸入節(jié)點連接到所述源電極的電壓跟隨器電路、以及一端連接到所述電壓跟隨器電路的輸出節(jié)點且另一端連接到所述漏電極的恒定電壓源；并且
[0288]所述電壓跟隨器電路的輸出電壓被輸出作為與所述柵電極和所述源電極之間的電位差相對應的電壓。
[0289][附錄21]
[0290]一種使用TFT離子傳感器的測量方法，所述TFT離子傳感器包括:半導體活性層，源電極和漏電極連接至所述半導體活性層；柵極絕緣膜和柵電極，所述柵極絕緣膜和所述柵電極設(shè)置在所述半導體活性層的一個表面上；離子敏感絕緣膜，所述離子敏感絕緣膜設(shè)置在所述半導體活性層的另一表面上；以及參照電極，所述參照電極設(shè)置在與所述離子敏感絕緣膜在空間上分離的位置上，其中，所述離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比所述柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大，所述方法包括:
[0291]使用感測對象物質(zhì)填充所述離子敏感絕緣膜和所述參照電極之間的空間；
[0292]控制所述源電極和所述柵電極之間的電位差，使得恒定電流流經(jīng)所述源電極和所述漏電極之間；以及
[0293]讀取所述源電極和所述柵電極之間的電位差。
[0294][附錄22]
[0295]一種使用TFT離子傳感器的測量方法，所述TFT離子傳感器包括:半導體活性層，源電極和漏電極連接至所述半導體活性層；柵極絕緣膜和柵電極，所述柵極絕緣膜和所述柵電極設(shè)置在所述半導體活性層的一個表面上；離子敏感絕緣膜，所述離子敏感絕緣膜設(shè)置在所述半導體活性層的另一表面上；以及參照電極，所述參照電極設(shè)置在與所述離子敏感絕緣膜在空間上分離的位置上，其中，所述離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比所述柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大，所述方法包括:
[0296]用感測對象物質(zhì)填充所述離子敏感絕緣膜和所述參照電極之間的空間；
[0297]控制流經(jīng)所述源電極和所述漏電極之間的電流，使得所述柵電極和所述源電極之間的電位差變得恒定；以及
[0298]讀取流經(jīng)所述源電極或所述漏電極的電流。
[0299]工業(yè)實用性
[0300]作為本發(fā)明的可能的工業(yè)實用性，可考慮與生物、醫(yī)療、環(huán)境領(lǐng)域關(guān)聯(lián)的高敏感度離子傳感器元件。特別地，通過使用未產(chǎn)生空穴的積聚且容易產(chǎn)生完全耗盡型特性的氧化物半導體TFT，能夠獲得由本發(fā)明實現(xiàn)的高敏感度感知特性。另外，氧化物半導體對可見光是透明的，因此在可見光照射狀態(tài)下氧化物半導體TFT的特性也與黑暗狀態(tài)下的特性無差異。這與可見光照射狀態(tài)和黑暗狀態(tài)下電氣特性不同的硅類TFT顯著不同。通過利用氧化物半導體的這種特征，本發(fā)明可用于在黑暗狀態(tài)和可見光照射狀態(tài)這兩者中能夠進行高靈敏度感知的離子傳感器。
【主權(quán)項】
1.一種薄膜晶體管TFT離子傳感器，包括: 半導體活性層，源電極和漏電極連接至所述半導體活性層； 柵極絕緣膜和柵電極，所述柵極絕緣膜和所述柵電極設(shè)置在所述半導體活性層的一個表面上； 離子敏感絕緣膜，所述離子敏感絕緣膜設(shè)置在所述半導體活性層的另一表面上；以及 參照電極，所述參照電極設(shè)置在與所述離子敏感絕緣膜在空間上分離的位置上， 其中: 所述離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比所述柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大，并且 所述TFT離子傳感器還設(shè)置有電壓檢測單元，所述電壓檢測單元用于讀取所述源電極和所述柵電極之間的電位差。2.如權(quán)利要求1所述的TFT離子傳感器，其中， 所述源電極與所述柵電極之間的電位差是通過使所述離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容除以所述柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容得到的比值、乘以所述離子敏感絕緣膜與設(shè)置在所述離子敏感絕緣膜上的感測對象物質(zhì)之間產(chǎn)生的電位差而得到的電位差。3.如權(quán)利要求1所述的TFT離子傳感器，還包括電壓控制單元，所述電壓控制單元控制所述源電極和所述柵電極之間的電位差，使得恒定電流流經(jīng)所述源電極和所述漏電極之間。4.一種TFT離子傳感器，包括: 半導體活性層，源電極和漏電極連接至所述半導體活性層； 柵極絕緣膜和柵電極，所述柵極絕緣膜和所述柵電極設(shè)置在所述半導體活性層的一個表面上； 離子敏感絕緣膜，所述離子敏感絕緣膜設(shè)置在所述半導體活性層的另一表面上；以及 參照電極，所述參照電極設(shè)置在與所述離子敏感絕緣膜在空間上分離的位置上， 其中: 所述離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比所述柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大，并且 所述TFT離子傳感器還設(shè)置有電流檢測單元，所述電流檢測單元用于讀取流經(jīng)所述源電極或所述漏電極的電流。5.如權(quán)利要求4所述的TFT離子傳感器，還包括電流控制單元，所述電流控制單元控制流經(jīng)所述源電極和所述漏電極之間的電流，使得所述柵電極和所述源電極之間的電位差變得f旦定。6.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 在基板上依次設(shè)置有所述柵電極、所述柵極絕緣膜、所述半導體活性層、所述源電極和所述漏電極、以及所述離子敏感絕緣膜。7.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 在硅基板上依次設(shè)置有熱氧化膜、所述源電極和所述漏電極、所述半導體活性層、所述柵極絕緣膜、以及所述柵電極；并且 在所述硅基板中設(shè)置有開口部，以使位于所述半導體活性層的下面的所述熱氧化膜露出。8.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 在絕緣基板上依次設(shè)置有所述半導體活性層、所述源電極和所述漏電極、所述柵極絕緣膜、以及所述柵電極，并且 在所述絕緣基板上，在所述半導體活性層的相反側(cè)設(shè)置凹部，使得所述絕緣基板的薄部露出。9.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 所述離子敏感絕緣膜是由從氧化鉭、氧化鉿、氧化鋁、鈦酸鋇、鈦酸鍶和氮化硅中選擇的一者形成的單層膜、或者是由氧化鉭、氧化鉿、氧化鋁、鈦酸鋇、鈦酸鍶和氮化硅中的兩者或更多者形成的層疊膜。10.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 在所述離子敏感絕緣膜上層疊對特定離子敏感的離子選擇性敏感膜。11.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 在所述離子敏感絕緣膜上固化通過與底物發(fā)生反應而改變所述離子敏感絕緣膜附近的氫離子濃度的酶。12.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 在所述離子敏感絕緣膜上設(shè)置對特定生物物質(zhì)敏感并通過與所述生物物質(zhì)的相互作用而產(chǎn)生電位變化的蛋白質(zhì)、糖、DNA或RNA。13.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 所述柵極絕緣膜和所述離子敏感絕緣膜由實質(zhì)上相同的材料形成，并且 所述柵極絕緣膜的膜厚比所述離子敏感絕緣膜的膜厚厚。14.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 所述離子敏感絕緣膜的實質(zhì)構(gòu)成材料的相對介電常數(shù)比所述柵極絕緣膜的實質(zhì)構(gòu)成材料的相對介電常數(shù)大。15.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 在所述半導體活性層中不產(chǎn)生空穴的積聚。16.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 所述半導體活性層由氧化物半導體形成。17.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 所述柵極絕緣膜的實質(zhì)構(gòu)成材料是由從氧化硅、氮化硅以及氧化鋁中選擇的一者形成的單層膜、或者是由氧化硅、氮化硅以及氧化鋁中的兩者或更多者形成的層疊膜。18.如權(quán)利要求1或4所述的TFT離子傳感器，其中， 所述半導體活性層和所述離子敏感絕緣膜之間的界面中的缺陷密度被抑制到I X 121CnT3或更小。19.一種TFT離子傳感器裝置，包括: TFT離子傳感器，所述TFT離子傳感器包括:半導體活性層，源電極和漏電極連接至所述半導體活性層；柵極絕緣膜和柵電極，所述柵極絕緣膜和所述柵電極設(shè)置在所述半導體活性層的一個表面上；離子敏感絕緣膜，所述離子敏感絕緣膜設(shè)置在所述半導體活性層的另一表面上；以及參照電極，所述參照電極設(shè)置在與所述離子敏感絕緣膜在空間上分離的位置上，其中，所述離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比所述柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大，以及 檢測電路，所述檢測電路通過以所述源電極的電位為基準而向所述參照電極提供恒定電位，在所述源電極和所述漏電極之間提供恒定電位差，控制所述柵電極和所述源電極之間的電位差使得恒定電流流經(jīng)所述源電極和所述漏電極之間，并輸出所述柵電極和所述源電極之間的電位差或者與該電位差相對應的電壓。20.如權(quán)利要求19所述的TFT離子傳感器裝置，其中: 所述檢測電路包括使所述源電極和所述漏電極之間的電位差固定的恒定電壓電路以及與所述源電極連接的恒定電流電路； 所述恒定電壓電路包括輸入節(jié)點連接到所述源電極的電壓跟隨器電路、以及一端連接到所述電壓跟隨器電路的輸出節(jié)點且另一端連接到所述漏電極的恒定電壓源；并且 所述電壓跟隨器電路的輸出電壓被輸出作為與所述柵電極和所述源電極之間的電位差相對應的電壓。
【專利摘要】本發(fā)明涉及TFT離子傳感器、使用該TFT離子傳感器的TFT離子傳感器裝置。使用TFT或MOSFET的離子傳感器的測量靈敏度低，因此難以檢測極微量的感測對象物質(zhì)。TFT離子傳感器包括柵電極(硅基板)和參照電極，其中設(shè)定柵極絕緣膜(熱氧化膜)的靜電電容比離子敏感絕緣膜的靜電電容大。因此，可根據(jù)柵極-源極電壓對源極-漏極電流特性的閾值電壓漂移檢測感測對象物質(zhì)中的離子、激素等的濃度。
【IPC分類】G01N27/26
【公開號】CN104950023
【申請?zhí)枴緾N201510144865
【發(fā)明人】竹知和重, 芳賀浩史, 巖松新之輔, 小林誠也, 阿部泰, 矢作徹
【申請人】Nlt科技股份有限公司
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年3月30日
【公告號】US20150276663