KR20070121761A - Gated gas sensor - Google Patents
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Abstract
분석대상 가스를 감지하는 장치가 제공된다. 본 장치는 일산화탄소와 같은 분석대상 가스와 화학적으로 반응할 수 있는 금속 산화물을 포함할 수 있는 반도체 박막을 포함할 수 있는 박막 트랜지스터를 포함할 수 있는 신호 증폭기를 포함할 수 있다. 본 장치는 트랜지스터의 게이트 전압을 변경시킴으로써 분석대상 기체를 탐지하도록 조정될 수 있다.An apparatus for detecting an analyte gas is provided. The device may include a signal amplifier that may include a thin film transistor that may include a semiconductor thin film that may include a metal oxide capable of chemically reacting with an analyte gas, such as carbon monoxide. The device can be adjusted to detect the analyte gas by changing the gate voltage of the transistor.
Description
미합중국은 미공군이 부여한 승인번호 FA8650-05-M-6562에 따라서 본 발명의 일정한 권리를 소유한다.The United States of America possesses certain rights in the invention in accordance with Grant No. FA8650-05-M-6562 granted by the US Air Force.
본 발명은 전반적으로 가스 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 분석대상(analyte) 가스와 화학적 작용이 가능한 화합물 층을 통과하는 전류의 탐지를 조정하기 위해서 게이트 전압을 인가함으로써 동작하는 가스 센서에 관한 것이다. 또한 광학적 여기(optical excitation), 화학적 도펀트, 표면 화학물 층 및 이들의 조합을 포함하는 분석대상의 탐지를 조정하는데 다른 방법들이 사용될 수 있다. 게다가 게이트 바이어스와 같은 외부 힘을 적용하는 것은 가열된 기판 표면에 대한 필요요건을 제거하거나 또는 극히 감소시키는데 도움이 된다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 일산화탄소와 같은 분석대상 가스의 탐지를 위해 적응된 박막 게이트형(gated) 금속 산화물 탐지기에 관한 것이다.The present invention relates generally to gas sensors. More specifically, the present invention relates to a gas sensor that operates by applying a gate voltage to adjust the detection of a current through a compound layer capable of chemically interacting with an analyte gas. Other methods can also be used to tune the detection of analytes, including optical excitation, chemical dopants, surface chemical layers, and combinations thereof. In addition, applying external forces, such as gate bias, helps to eliminate or extremely reduce the requirement for a heated substrate surface. More specifically, the present invention relates to thin film gated metal oxide detectors adapted for detection of analyte gases such as carbon monoxide.
가열형 금속 산화물 센서Heated Metal Oxide Sensors
금속 산화물 화학 센서에 관한 정보의 많은 배경기술이 있다. 이들은 모두 가열된 기판 상에 위치되어 있거나 전기 화학적 탐지에 의해 측정되었다. 예를 들면 Eranna, G. 등의 "Oxide Materials for Development of Integrated Gas Sensors - A Comprehensive Review" Critical Reviews in Solids State and Materials Sciences, 29: 111-188, 2004와 이의 참고문헌들을 참조하자.There is a lot of background in the information regarding metal oxide chemical sensors. These were all located on heated substrates or measured by electrochemical detection. See, for example, "Oxide Materials for Development of Integrated Gas Sensors-A Comprehensive Review" Critical Reviews in Solids State and Materials Sciences, 29: 111-188, 2004 and references therein.
가스들, 특히 유독 가스들의 주변 레벨(ambient level)들을 탐지하기 위한 센서들을 제공하는 것을 목표로 한다. 가열형 금속 산화물 센서는 논문에서 상당히 연구된다. 최근의 리뷰에 따르면, Eranna 등(174페이지, 표 23, 본원에서 참조 1로 표시됨)은 탐지될 수 있는 가스들의 범위와 각각의 가스에 대해 반응하는 금속 산화물을 나타낸다. 발명자들은 금속 산화물 표면을 사용하여 가스들을 감지하는 능령에 있어서 상당한 향상을 증명하였다.It is aimed at providing sensors for detecting ambient levels of gases, in particular toxic gases. Heated metal oxide sensors are considerably studied in the paper. According to a recent review, Eranna et al. (Page 174, Table 23, indicated herein by reference 1) indicate the range of gases that can be detected and the metal oxides that react for each gas. The inventors have demonstrated a significant improvement in their ability to sense gases using metal oxide surfaces.
많은 금속 산화물들은 반도체이다. 이는 밸런스(valance) 밴드와 컨덕션(conduction) 밴드 - 전자들이 물질을 통과하여 이동할 수 있음 - 라고 불리는, 전자들의 집단(population) 사이에 에너지 갭이 존재한다는 것을 의미한다. 이러한 에너지 갭은 통상적으로 밴드 갭이라고 불리며, Eg라고 표시된다. 금속 산화물 센서들은 열에 의해서 밸런스 밴드에서 컨덕션 밴드로 전자들을 촉진시킴으로써 이러한 반도체 성질을 이용한다. 전자들의 이러한 열적 여기는 손쉽게 화학적 반응을 촉진시키는 금속 산화물의 표면 에너지를 변화시킬 수 있다.Many metal oxides are semiconductors. This means that there is an energy gap between the population of electrons, called the balance band and the conduction band, in which electrons can move through the material. This energy gap is commonly called the band gap and is denoted by E g . Metal oxide sensors exploit this semiconductor property by promoting electrons from the balance band to the conduction band by heat. This thermal excitation of the electrons can easily change the surface energy of the metal oxide that promotes the chemical reaction.
통상적으로 금속 산화물들은 무정형의 크리스털 구조를 갖는다. 이는 개별적인 크리스털 같은 그레인(grain)일 것이지만 표면으로 롱-레인지 오더(long-range order)가 없다는 것을 의미한다. 각각의 크리스털 입자 사이의 경계는 그레인 바운더리(grain boundary)를 생성한다. 금속 산화물을 통과하는 전 도(conduction)는 각각의 그레인 바운더리에서 생성되는 에너지 장벽에 의해 제한된다. 표면 에너지의 변화 외에도 열은 이러한 개별 그레인 바운더리들에서 생성되는 장벽들의 에너지 레벨을 변화시킨다.Typically metal oxides have an amorphous crystal structure. This means that it will be an individual crystal-like grain, but there is no long-range order on the surface. The boundary between each crystal particle creates a grain boundary. The conduction through the metal oxide is limited by the energy barrier created at each grain boundary. In addition to changes in surface energy, heat also changes the energy levels of the barriers created in these individual grain boundaries.
하나의 특정 예시에 따라서, 우리는 일산화탄소(CO) 탐지, 탐지에 대한 기술분야의 현재 상태 및 이들의 한계를 볼 것이다. 일산화탄소 중독은 시민 및 군사 분야에 있어서 중요한 문제로 나타난다. 미국에서 매년 일산화탄소("CO") 중독으로 뜻하지 않게 죽은 사람이 500명 이상인 것을 추정되며, 이는 기타 독으로 인한 것보다 많다. 또한, 대략 10000명의 사람들이 매년 CO 노출 증상으로 치료된다. 가정에서의 CO와 관련된 사건의 대부분은 확인되고 치료될 수 있는 반면에, 적절하게 이용할 수 있는 감시 장치가 부족한 기내와 같은 환경에서 이 상황은 보다 심각하다.According to one particular example, we will look at the current state of the art and its limitations for detecting carbon monoxide (CO). Carbon monoxide poisoning is an important issue for civil and military sectors. It is estimated that more than 500 people in the United States accidentally die of carbon monoxide ("CO") poisoning each year, more than any other poison. In addition, approximately 10,000 people are treated with symptoms of CO exposure every year. While most of the CO-related events in the home can be identified and treated, this situation is more severe in environments such as cabins where there is a lack of adequately available monitoring devices.
일산화탄소는 산소와 비교할 때 헤모글로빈과 결합 친화도가 약 210배만큼 크다. CO는 무향, 무미, 무색 가스이며, 혈액의 산소 수송 능력이 감소된 저산소증(hypaemic hypoxia)을 야기한다. 혈액 내의 일산화탄소는 산소의 수송을 방해하는 카르복시헤모글로빈(COHb)를 생성한다. 해수면에서, COHb의 증가된 수치는 두통에서부터 의식불명에 이르기까지 다양한 징후를 야기한다. 200 ppm에서, 해수면에서의 CO는 두통을 야기한다(체내에 15-20%의 COHb 함유량과 동일함). 더 높은 고도에서, CO 중독 및 고도 저산소혈의 효과는 가중되며, 따라서 기내 여객실에서의 CO가 200 ppm 수준 이하이도록 지속적인 수치 감시에 대한 필요가 존재한다.Carbon monoxide has about 210 times greater binding affinity to hemoglobin compared to oxygen. CO is an odorless, tasteless, colorless gas that causes hypoxic hypoxia with reduced oxygen transport capacity in the blood. Carbon monoxide in the blood produces carboxyhemoglobin (COHb) that interferes with the transport of oxygen. At sea level, elevated levels of COHb cause signs that range from headaches to unconsciousness. At 200 ppm, sea level CO causes headaches (equivalent to 15-20% COHb content in the body). At higher altitudes, the effects of CO poisoning and high hypoxia are aggravated, so there is a need for continuous numerical monitoring so that CO in the passenger cabin is below 200 ppm.
일부 금속 산화물 및 전기 화학적 센서는 지난 10년 이상 동안 가정 내의 CO 탐지 경보로써 동작해왔으나, ppm 수준 이하로 지속적이면서도 정확하게 CO를 측정할 수 있는 정밀도를 갖지는 못했었다. 35 내지 200 ppm 수준에서 일산화탄소에 대한 지속적인 감시는 모든 상업적으로 이용 가능한 CO 탐지기 기술에 대한 도전으로 나타난다. 지속적인 일산화탄소 감시는 가정에서, 산업에서, 그리고 군사적인 영역에서도 매우 중요하다. 현재, 3가지 기술이 일산화탄소 경보의 제조에서 사용된다. 각각의 방법에 대한 장단점이 아래에서 대략적으로 설명된다.Some metal oxide and electrochemical sensors have been operating as CO detection alarms in homes for more than a decade, but they have not been able to measure CO consistently and accurately below the ppm level. Ongoing monitoring of carbon monoxide at the 35 to 200 ppm level presents a challenge to all commercially available CO detector technologies. Continuous monitoring of carbon monoxide is critical in the home, in industry, and in the military sector. Currently, three techniques are used in the manufacture of carbon monoxide alarms. The advantages and disadvantages of each method are outlined below.
가열형 금속 산화물을 기반으로 한 일산화탄소(CO) 탐지기:Carbon monoxide (CO) detectors based on heated metal oxides:
반도체를 기반으로 한 센서는 세라믹 기판 상에 가열된 주석 이산화물(tin dioxide) 박막을 사용한다. CO는 고온 표면 상에서 산화된다. 틴 디옥사이드가 일산화탄소에 노출됨에 따라서 전류는 증가한다. 마이크로칩 제어 전자기기는 전류에 있어서의 변화를 탐지하여, 전류에 의해 측정된 CO의 수준이 정해진 임계를 초과할 때 경보를 울릴 것이다. 이러한 센서는 400도를 넘는 고온에서 동작하며, 많은 전력을 소비한다. 이러한 고온은 센서들이 화학적으로 유사한 분석대상에 의해 생성된 잘못된 신호에 반응하도록 한다. 장점은 비용이 저렴하며, 생산하기에 쉽다는 것이다. 단점은 높은 전력 소비, 낮은 주기 시간, 산소 오염, 잘못된 양성 신호에 반응, 및 시스템 재생에 가열이 필요하다는 것이다. 상기의 약술된 기술은 낮은 ppm 수준에서의 일산화탄소의 지속적인 탐지를 위한 완벽한 해결책을 제시하는데 여전히 불충분하다.Semiconductor-based sensors use thin films of tin dioxide heated on ceramic substrates. CO is oxidized on the hot surface. The current increases as the tin dioxide is exposed to carbon monoxide. The microchip control electronics will detect a change in current and will sound an alarm when the level of CO measured by the current exceeds a predetermined threshold. These sensors operate at high temperatures in excess of 400 degrees and consume a lot of power. Such high temperatures cause the sensors to respond to false signals generated by chemically similar analytes. The advantage is that it is inexpensive and easy to produce. Disadvantages are high power consumption, low cycle time, oxygen contamination, reaction to false positive signals, and heating required for system regeneration. The techniques outlined above are still insufficient to provide a complete solution for the continuous detection of carbon monoxide at low ppm levels.
가열형 몰리브덴 옥사이드(MoO3) CO 센서.Heated molybdenum oxide (MoO 3 ) CO sensor.
이와 같이 대안적인 센서를 개발하기 위한 연구는 지속되어 왔다. 예를 들어, 졸-젤 및 RF 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 공정에 의해 제조된 몰리브덴 옥사이드(MoO3) 박막은 CO 센서의 개발에서 이전에 사용되어졌으며, 이는 E. Comini, G. Faglia, G. Sberveglieri, C. Cantalini, M. Passacantando, S. Santucci의 "Carbon Monoxide response of molybdenum oxide thin films deposited by different techniques," in Sensors and Actuators B 68, pp. 168-174 (2000)에 기재되어 있으며, 본원에서 참조 2로 표시된다. RF 증착 막은 200-400nm의 세로 방향 치수 범위를 가진 바늘과 같은 구조를 가졌다. 반응은 1V의 일정한 전위를 센싱(sensing) 층에 인가하고 피코암메터(picoammeter)로 저항을 기록함으로써 측정되었다. 이러한 CO 센서는 화학 저항기로서 동작한다. 참조 2의 도 8은 30 ppm CO의 스퀘어 농도 펄스(square concentration pulse)에 대한 300도에서의 졸-젤 센서 및 RF 스퍼터링된 센서의 동적 응답을 도시한다. 참조 2의 도 8에서 도시된 전류 변화는 피코 암페어 범위이다. 이 범위는 휴대 불가능한 매우 정교한 장치를 사용하지 않고서는 지속적인 감시를 위해 이렇게 약한 출력을 기록하는 것은 거의 불가능 할 것이라는 단점을 갖는다. 참조 2에서의 센서는 300도에서 작동되었다. 센서 기판을 가열하는 것은 많은 전기 전력을 소모한다. 이는 휴대용 장비로서는 단점이다.Research into developing such alternative sensors has continued. For example, molybdenum oxide (MoO 3 ) thin films prepared by sol-gel and RF magnetron sputtering processes have been used previously in the development of CO sensors, which are described in E. Comini, G. Faglia, G. "Carbon Monoxide response of molybdenum oxide thin films deposited by different techniques," in Sberveglieri, C. Cantalini, M. Passacantando, S. Santucci, in Sensors and Actuators B 68, pp. 168-174 (2000), incorporated herein by
또한 금속 산화물을 증착시키는 방법에 대한 연구가 지속되었다. 예를 들어, 본원에서 참조 3으로 표시하는, H. Liu, F. Favier, K. Ng, M.P. Zach, R.M. Penner의 "Size-selective electrodeposition of meso-scale metal particles: a general method," in Electrochimica Acta 47 pp. 671-677 (2001)의 저자는 몰리브덴 디옥사이드의 단분산성 나노파티클들(monodisperse nanoparticles)은 펄스형 볼타메트릭 기술(pulsed voltammetric technique)을 사용하여 도전성 표면상에 성장될 수 있다는 것을 증명하였다. 참조 3의 도 5는 흑연을 기반으로한 평탄한 표면 상에 몰리브덴 디옥사이드 금속성 나노파티클들의 전자 주사 현미경 사진을 도시한다. 이 도면에서 도시된 바와 같이, 나노파티클들은, 1 마이크로미터의 스케일 라인에 의해 표시된 것과 같이, 100-200 nm의 겉보기 크기를 갖는다. 또한 현존하는 금속 막을 산화하는 것도 가능하다.There has also been continued research on how to deposit metal oxides. See, for example, H. Liu, F. Favier, K. Ng, M.P. Zach, R.M. Penner's "Size-selective electrodeposition of meso-scale metal particles: a general method," in Electrochimica Acta 47 pp. The authors of 671-677 (2001) demonstrated that monodisperse nanoparticles of molybdenum dioxide can be grown on conductive surfaces using pulsed voltammetric techniques. 5 of
상기의 기술들에도 불구하고, 가열형 금속 산화물 센서에 대한 대안적인 기술에 강한 요구들이 존재한다. 특히, 낮은 전력 요구, 광대한 환경적 동작 범위, 빠른 반응 시간, 높은 선택도 및 높은 민감도를 갖는 가스 센서에 대한 필요가 여전하다.Despite the above techniques, there are strong demands on alternative technologies for heated metal oxide sensors. In particular, there is still a need for gas sensors with low power requirements, extensive environmental operating range, fast response time, high selectivity and high sensitivity.
발명자들은 열 활성화(thermal activation)에 의해 동작하는 어떤 알려진 금속 산화물 센서가 대안적인 에너지 활성화 방법을 적용함으로써 열적 여기 없이도 바람직하게 동작될 수 있다는 것을 발견하였다. 대안적인 에너지 방법을 적용하는 것은 금속 산화물들의 전도(conductivity) 메커니즘 및 표면 에너지 상태에 유사한 변화를 제공한다. 예를 들면, 박막 트랜지스터(TFT) 아키텍처의 어플리케이션 게이트 바이어스(gate bias)는 상술한 센서의 열적 요구조건을 감소시킨다. 도 1은 게이트 바이어스가 어떻게 금속 산화물 표면 에너지를 조작할 수 있고 그레인 바운더리를 통과하여 에너지 배리어를 변화시키는 지를 도시한다. 추가적으로, 여기 방법은 광학적, 자기적 또는 이들의 결합일 수 있다.The inventors have found that any known metal oxide sensor operating by thermal activation can be operated preferably without thermal excitation by applying alternative energy activation methods. Applying an alternative energy method provides a similar change in the conductance mechanism and surface energy state of metal oxides. For example, the application gate bias of a thin film transistor (TFT) architecture reduces the thermal requirements of the sensor described above. FIG. 1 shows how gate bias can manipulate metal oxide surface energy and change the energy barrier through grain boundaries. In addition, the excitation method can be optical, magnetic or a combination thereof.
일부 실시예에서, 상기 언급된 금속 산화물 센서의 감지 메커니즘은 동작 온도와는 관계없다. 일부 상기 실시예에서, 반도체 채널은 전기적으로 조작된다. 예시와 같이, 센서는 동일한 게이트 바이어스 하에서 -60F 내지 140F에서 동작한다.In some embodiments, the sensing mechanism of the metal oxide sensor mentioned above is independent of the operating temperature. In some such embodiments, the semiconductor channel is electrically manipulated. As an example, the sensor operates at -60F to 140F under the same gate bias.
TFT 아키텍처는 분석대상 가스와 화학적으로 반응할 수 있는 화합물을 포함하는 반도체 박막(thin film)을 포함할 수 있다. 화합물은 금속 산화물인 것이 바람직하다. 화학적 반응은 바람직하게 전자 전달이다. 따라서 본 발명의 실시예에 따라서 가스 센서는 금속 산화물을 포함한다. 금속은 바람직하게 전이 금속(transition metal)이며, 더욱 바람직하게는 6B족 원소, 더 더욱 바람직하게는 몰리브덴이다.The TFT architecture may include a semiconductor thin film containing a compound capable of chemically reacting with the analyte gas. It is preferable that the compound is a metal oxide. The chemical reaction is preferably electron transfer. Thus according to an embodiment of the present invention the gas sensor comprises a metal oxide. The metal is preferably a transition metal, more preferably a Group 6B element, even more preferably molybdenum.
발명자는 박막 트랜지스터(TFT) 아키텍처의 신호 증폭을 만드는 것이 분석대상 가스를 탐지하는 센서의 약한 출력 문제를 극복한다는 것을 발견하였다.The inventors found that making signal amplification of thin film transistor (TFT) architecture overcomes the weak output problem of the sensor detecting the analyte gas.
또한, 조합하여 또는 대안적으로, 본 발명의 실시예에 따라서, 가스 센서는 분석대상 가스로부터의 전자 전달을 이용하여 동작한다. 이러한 전자 전달은 센서 표면 상의 촉매 반응의 결과일 수 있다. 전자 전달은 전자 공여(electron donating)일 수 있다. 대안적으로, 전자 전달은 전자 끌기(electron withdrawing)일 수 있다. 분석대상 가스는 바람직하게 일산화탄소이다.Also in combination or alternatively, in accordance with an embodiment of the present invention, the gas sensor operates using electron transfer from the analyte gas. This electron transfer can be the result of a catalytic reaction on the sensor surface. Electron transfer may be electron donating. Alternatively, the electron transfer can be electron withdrawing. The gas to be analyzed is preferably carbon monoxide.
또한, 조합하여 또는 대안적으로, 본 발명의 실시예에 따라서, 가스 센서는 반도체 금속 산화물을 사용하는 센서 아키텍처를 포함한다. 센서 아키텍처에서, 금속 산화물은 박막 형태일 수 있다. 예를 들면, 금속 산화물은 나노파티클 형태 또는 나노파티클의 네트워크 형태일 수 있다. 센서 아키텍처는 박막 트랜지스터 아키텍처를 포함하는 것이 바람직하다.Further, in combination or alternatively, according to an embodiment of the present invention, the gas sensor includes a sensor architecture using semiconductor metal oxides. In the sensor architecture, the metal oxide may be in the form of a thin film. For example, the metal oxide may be in the form of nanoparticles or a network of nanoparticles. The sensor architecture preferably includes a thin film transistor architecture.
또한, 조합하여 또는 대안적으로, 본 발명의 실시예에 따라서, 가스 센서는 성장 방법(growth method)에 의해 생성되는 적어도 하나의 금속 산화물 나노파티클을 포함한다. 박막은 금속의 제 1 증착 - 이의 산화가 뒤따름 - 에 의해 인 시튜로 성장될 수 있다. 금속층 성장 방법은 전기화학적 성장, 스퍼터링, 금속 이베포레이션(metal evaporation), 졸 젤 및 나노파티클 용액을 포함하는 용액 처리(solution processing)을 포함할 수 있다. 금속층 증착 방법은 상기 언급된 기술들의 조합일 수 있다. 금속층의 증착 후에, 다음 처리인 산화가 금속을 이에 대응하는 금속 산화물로 변화시키기 위해서 필요하다. 이러한 산화는 열적으로, 화학적으로, 전기화학적으로 또는 이들의 조합으로 수행될 수 있다. 이러한 금속 산화물 막을 통과하는 전기 전도성은 그레인 바운더리 경계에 의해 결정될 수 있다.In addition, or in combination or alternatively, according to an embodiment of the present invention, the gas sensor includes at least one metal oxide nanoparticle produced by a growth method. The thin film can be grown in situ by a first deposition of a metal, followed by oxidation thereof. The metal layer growth method may include solution processing including electrochemical growth, sputtering, metal evaporation, sol gel and nanoparticle solution. The metal layer deposition method may be a combination of the above mentioned techniques. After deposition of the metal layer, the next treatment, oxidation, is necessary to change the metal into the corresponding metal oxide. Such oxidation can be performed thermally, chemically, electrochemically, or a combination thereof. The electrical conductivity through this metal oxide film can be determined by the grain boundary boundary.
또한, 본 발명의 실시예에 따라서, 가스 센서는 마이크로프로세서를 포함한다.Also in accordance with an embodiment of the present invention, the gas sensor includes a microprocessor.
또한, 본 발명은 반도체층의 표면 에너지를 변경함으로써 센서를 조정하기 위해 외부 힘을 인가함으로써 동작하고 반도체층을 통과하는 전기 전달(electrical transport)을 변경하는 가스 센서에 관한 것이다. 표면 에너지의 조정은 게이트를 인감함으로써 달성될 수 있다. 추가적으로, 다른 방법이 분석대상의 탐지를 조정하는데 사용될 수 있으며, 광학적 여기, 화학 도펀트, 표면 화학층, 자기장 및 이들의 조합을 포함한다. 추가적으로, 게이트 바이어스와 같은 외부 힘을 적용하는 것은 가열된 기판 표면에 대한 요구조건을 제거하거나 매우 감소시키는데 도움이 된다.The invention also relates to a gas sensor that operates by applying an external force to adjust the sensor by altering the surface energy of the semiconductor layer and alters the electrical transport through the semiconductor layer. Adjustment of surface energy can be accomplished by sealing the gate. In addition, other methods can be used to tune the detection of the analyte and include optical excitation, chemical dopants, surface chemical layers, magnetic fields, and combinations thereof. In addition, applying external forces, such as gate bias, helps to eliminate or greatly reduce the requirement for a heated substrate surface.
또한, 본 발명의 실시예에 따라서, 가스 센서는 원격 감지를 위한 RF 통합(integration)을 포함한다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the gas sensor includes RF integration for remote sensing.
본 발명의 상술된 실시예들의 어떠한 하나에 따라서, 가스 센서는 도시미터(dosimeter)처럼 작동될 수 있다.According to any one of the above-described embodiments of the present invention, the gas sensor can be operated like a dosimeter.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따라서, 분석 대상 가스를 탐지하기 위한 가스 센서는 제 1 콘택, 제 2 콘택, 반도체층, 절연층, 기판, 및 제 3 콘택을 포함할 수 있다. 제 3 콘택은 게이트 콘택으로써 기능하는 것이 바람직하다. 게이트 콘택은 기판일 수 있다. 반도체층은 분석대상 가스와 화학 반응을 할 수 있는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 화학 반응은 바람직하게 전자 전달이다. 절연층, 반도체층, 제 1 콘택, 제 2 콘택, 및 제 3 콘택은 미리 정해진 아키텍처로 배열되는 것이 바람직하며, 따라서 센서는 전자 전달 이벤트가 화합물과 분석대상 사이에서 일어날 때 발생하는 제 1 및 제 2 콘택 사이의 전류에 있어서의 변화로서 (예를 들어 CO라고 라벨이 붙여진) 분석대상 가스의 레벨에 있어서의 변화를 탐지한다. 이러한 실시예에서, CO는 이산화탄소(CO2)로 산화된다. 이러한 반응이 일어날 때, 전자는 CO에서 금속 산화물 표면으로 전달된다. 이러한 전자 전달은 게이터 전압이 제1 콘택과 제 3 콘택 사이에 인가될 때 촉진될 수 있다. 분석대상과 화합물 간의 이러한 전자 전달 반응을 통해서 생성되는 전자 (또는 홀)의 전달은 게이트 전압이 제 1 콘택과 제 3 콘택 사이에 인가될 때 조작될 수 있다. 전자 전달의 조작은 나노파티클들 사이의 그레인 바운더리층에서의 에너지 배리어 높이를 변경시킴으로써 이루어질 수 있다. 게이트 바이어스를 적용하는 것은 센서에 대한 열적 요구조건을 감소시킬 수 있으며, 외부 또는 내부의 가열된 기판 없이도 실온 및 그 이하에서 동작이 가능하도록 한다.As such, according to an embodiment of the present invention, the gas sensor for detecting the gas to be analyzed may include a first contact, a second contact, a semiconductor layer, an insulating layer, a substrate, and a third contact. Preferably, the third contact functions as a gate contact. The gate contact may be a substrate. It is preferable that a semiconductor layer contains the compound which can chemically react with the gas to be analyzed. The chemical reaction is preferably electron transfer. The insulating layer, the semiconductor layer, the first contact, the second contact, and the third contact are preferably arranged in a predetermined architecture, so that the sensor can be configured with the first and the first, which occur when an electron transfer event occurs between the compound and the analyte. A change in the level of the analyte gas (eg labeled CO) is detected as the change in current between the two contacts. In this embodiment, the CO is oxidized to carbon dioxide (CO 2 ). When this reaction occurs, electrons are transferred from the CO to the metal oxide surface. This electron transfer can be facilitated when a gator voltage is applied between the first contact and the third contact. The transfer of electrons (or holes) generated through this electron transfer reaction between the analyte and the compound can be manipulated when a gate voltage is applied between the first and third contacts. Manipulation of electron transfer can be accomplished by changing the energy barrier height in the grain boundary layer between nanoparticles. Applying a gate bias can reduce thermal requirements for the sensor and allow operation at room temperature and below without external or internal heated substrates.
또한, 본 발명의 실시예에 따라서, 가스 센서는 몰리브덴의 산화물을 포함하는 반도체 박막을 포함하는 박막 트랜지스터를 포함하는 신호 증폭기를 포함할 수 있다. 신호 증폭기는 외부에 있을 수 있다. 신호 증폭기는 박막 트랜지스터 센서일 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the gas sensor may include a signal amplifier including a thin film transistor including a semiconductor thin film including an oxide of molybdenum. The signal amplifier may be external. The signal amplifier may be a thin film transistor sensor.
본 발명, 및 이의 장점에 대한 보다 완벽한 이해를 위해서, 이제 첨부된 도면과 같이 다음의 설명들에 대해 도면번호가 만들어진다.For a more complete understanding of the invention, and its advantages, reference numerals are now made to the following descriptions as shown in the accompanying drawings.
도 1은 반응을 위한 표면 에너지 및 게이트 바이어스의 적용에 의한 전자 전달에 따른 그레인 바운더리를 조정하는 것을 도시한다.Figure 1 shows the adjustment of grain boundaries with electron transfer by application of surface energy and gate bias for the reaction.
도 2는 본 발명의 실시예를 도시한다.2 illustrates an embodiment of the invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라서 가스 센서의 내부 증폭을 기초로 민감도(sensitivity)를 도시하는 그래프이다.3 is a graph illustrating sensitivity based on internal amplification of a gas sensor in accordance with an embodiment of the present invention.
도 4는 게이트형 금속 산화물 센서 아키텍처를 도시한다.4 shows a gated metal oxide sensor architecture.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라서 제 3 게이트 콘택으로써 기판을 사용하는 가스 센서를 제조하는 추가적인 처리 단계들을 도시하는 개념도이다.5 is a conceptual diagram illustrating additional processing steps for fabricating a gas sensor using a substrate as a third gate contact in accordance with an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라서 원격 어플리케이션을 위한 가스 센서를 도시하는 개념도이다.6 is a conceptual diagram illustrating a gas sensor for a remote application in accordance with an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 가스 센서의 반응 곡선이다.7 is a response curve of an exemplary gas sensor in accordance with an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 가스 센서의 다른 반응 곡선이다.8 is another response curve of an exemplary gas sensor in accordance with an embodiment of the present invention.
이제 도 1을 참조하면, 도 1은 센서의 조정 가능성을 나타낸다. 도 1A는 두 콘택 사이의 금속 산화물의 확대된 표면 토포그래피(topography)를 도시한다. 금속 산화물 및 이의 콘택은 제 3 콘택을 분리하는 절연층의 상부에 존재한다. 표면 토포그래피는 그레인 바운더리를 생성하며, 여기서 전자 또는 홀의 전도성은 한 그레인에서 인접한 그레인으로 도달하기 위한 에너지 배리어에 의해 결정된다. 이제 도 1B를 참조하면, 우리는 도 1A에서 표시된 그레인 바운더리와 관련된 에너지 배리어를 볼 수 있다. 이 실시예에서, 우리는 금속 산화물층을 통해 전도성을 조정할 수 있다. 이는 각각의 그레인 바운더리에서의 에너지 배리어의 높이를 변경함으로써 달성된다. 표면 반응이 일어나면, 예를 들어 CO가 CO2로 산화하면, 전달된 전자는 이러한 에너지 배리어 사이의 반응 사이트 근처에서 붙잡힌다. 종래의 예시는 고열이 에너지 배리어를 넘어 전자들을 전달하는데 충분한 에너지를 제공할 수 있다는 것을 보여주었다. 이러한 실시예에서, 발명자들은 콘택(3)에 전기적 바이어스를 적용함으로써 배리어 높이를 감소시키고, 따라서 열에 대한 요구조건을 제거한다. 도 1C를 참조하면, 발명자들은 어떻게 표면 반응 에너지가 조정될 수 있는지를 도시한다. 도 1C에서, 금속 산화물은 반도체이며, 밴드 갭을 갖는다. 이러한 밴드 갭은 에너지이며, 밸런스 밴드에서 컨덕션 밴드로 전자를 위로 촉진한다. 종래의 예시는 CO에서 CO2로의 산호와 같은 표면 반응이 일어나기 위해서는 밸런스 밴드와 컨덕션 밴드 내의 전자들의 우호적 분포(favorable distribution)를 생성하는데 열이 요구된다는 것을 증명하였다. 이러한 실시예에서, 밸런스 밴드와 컨덕션 밴드 내의 전자들의 분포는 게이트 바이어스의 적용에 의해 조정된다.Referring now to FIG. 1, FIG. 1 shows the possibility of adjusting the sensor. 1A shows an enlarged surface topography of metal oxide between two contacts. The metal oxide and its contacts are on top of the insulating layer separating the third contacts. Surface topography produces grain boundaries, where the conductivity of electrons or holes is determined by an energy barrier to reach from one grain to an adjacent grain. Referring now to FIG. 1B, we can see the energy barrier associated with the grain boundary indicated in FIG. 1A. In this embodiment, we can adjust the conductivity through the metal oxide layer. This is accomplished by changing the height of the energy barrier at each grain boundary. When a surface reaction occurs, for example when CO oxidizes to CO 2 , the transferred electrons are captured near the reaction site between these energy barriers. The conventional example has shown that high heat can provide enough energy to transfer electrons beyond the energy barrier. In this embodiment, the inventors reduce the barrier height by applying electrical bias to the
이제 도 2를 참조하면, 도 2에 도시된 가스 센서는 (예를 들어 금속 콘택 패드라고 라벨이 붙은) 제 1 콘택, 제 2 콘택, (예를 들어 금속 산화물 나노파티클층이라고 라벨이 붙은) 반도체층, (예를 들어 유전 절연체라고 라벨이 붙은) 절연층, (예를 들어 Si 게이트라고 라벨이 붙은) 기판, 및 기판과 접촉시키는 (도시되지 않은) 제 3 콘택을 포함하는 분석대상 가스를 탐지하기 위한 가스 센서를 예시한다. 제 3 콘택은 게이트 콘택으로서 기능하는 것이 바람직한다. 반도체층은 분석대상 가스와 화학적 반응할 수 있는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 계속 도 2를 참조하고 아래에 더 설명하자면, 절연층, 반도체층, 제 1 콘택, 제 2 콘택, 및 제 3 콘택은 미리 정해진 아키텍처로 배열되는 것이 바람직하며, 이에 따라서 센서는 제 1 콘택과 제 3 콘택 사이에 게이트 전압이 인가될 때 발생하는 제 1 콘택과 제 2 콘택 사이의 전도성 변화에 따라서 (예를 들어 CO라고 라벨이 붙은) 분석대상 가스 레벨에 있어서의 변화를 탐지한다.Referring now to FIG. 2, the gas sensor shown in FIG. 2 includes a first contact, a second contact (eg, labeled metal contact pad), a semiconductor (eg, labeled metal oxide nanoparticle layer). Detecting an analyte gas comprising a layer, an insulating layer (e.g. labeled dielectric insulator), a substrate (e.g. labeled Si gate), and a third contact (not shown) in contact with the substrate A gas sensor to illustrate is illustrated. It is preferable that the third contact functions as a gate contact. The semiconductor layer preferably includes a compound capable of chemically reacting with the gas to be analyzed. With continued reference to FIG. 2 and described further below, the insulating layer, semiconductor layer, first contact, second contact, and third contact are preferably arranged in a predetermined architecture, whereby the sensor is configured to include the first contact and the first contact. The change in the analyte gas level (eg labeled CO) is detected in accordance with the conductivity change between the first and second contacts that occurs when a gate voltage is applied between the three contacts.
본원에서 개시된 예시적인 가스 센서는 박막 트랜지스터("TFT") 아키텍처에 적용된 금속 산화물 나노파티클 네트워크를 기반으로 하는 소형화된, 저전력, 빠르게 반응하는 CO 센서이다. 임의의 금속 산화물은 n-형 반도체이며, 이는 분석대상 가스의 산화 또는 감소에 의해 야기되는 전자 전달로 인해 전도성에 있어서의 증가를 나타낸다. 전도성에 있어서의 이러한 변화는 분석대상 가스의 농도에 비례한다. 나노파티클 네트워크 접근법은 다음의 이유로 인해 금속 산화물 막을 기반으로 한 CO 탐지기의 가장 성공적인 상용 기술을 능가하는 민감도 및 선택도에 있어서 괄목할 만한 향상을 제공한다. 금속 산화물 나노파티클 네트워크의 나노구조로 된 상호작용은 상용 탐지기와 비교할 때 더 높은 민감도를 제공한다. 더 낮은 ppm 범위(예를 들어, 0-200 ppm)에서 동작하는 것이 가능하며, 이는 상용 탐지기를 기반으로 한 두꺼운 주석 산화물 박막에서는 달성될 수 없다. 더구나, 금속 산화물 나노파티클 네트워크는 주변 산소에 의해 리프래시 될 수 있다. 또한, TFT 설계는 고유(built-in) 이득으로 인하여 증가된 민감도를 가능하게 한다. 이득은 반도체의 특성인 비선형 전류 대 전압 곡선으로부터 나온다. 또한, 현존하는 기술을 능가하는 향상을 제공하는 제안된 장치의 두드러진 특성은 다음의 장점들을 포함한다: TFT 아키텍처를 통한 고유 이득; 온-칩 설계 및 통합; 빠른 응답 및 지속적인 모니터링; 화학적 성질 및 게이트 전압을 통한 리프래시 생성; 계량적인 응답; 및 누적된 노출에 대한 시간 적분된 응답. TFT 아키텍처는 매우 병렬적이고 저 비용 으로 제조하기 위한 CMOS 공정을 사용하여 생성될 수 있다.The exemplary gas sensor disclosed herein is a miniaturized, low power, fast responding CO sensor based on a metal oxide nanoparticle network applied to a thin film transistor (“TFT”) architecture. Any metal oxide is an n-type semiconductor, which shows an increase in conductivity due to electron transfer caused by oxidation or reduction of the analyte gas. This change in conductivity is proportional to the concentration of the analyte gas. The nanoparticle network approach offers significant improvements in sensitivity and selectivity that surpass the most successful commercial technologies for CO detectors based on metal oxide films for the following reasons: The nanostructured interaction of metal oxide nanoparticle networks provides higher sensitivity compared to commercial detectors. It is possible to operate in the lower ppm range (eg 0-200 ppm), which cannot be achieved in thick tin oxide thin films based on commercial detectors. Moreover, metal oxide nanoparticle networks can be refreshed by ambient oxygen. In addition, the TFT design allows for increased sensitivity due to built-in gain. The gain comes from the nonlinear current versus voltage curve that is characteristic of semiconductors. In addition, the salient features of the proposed device that provide improvements over existing technologies include the following advantages: inherent gain through TFT architecture; On-chip design and integration; Quick response and continuous monitoring; Leaflash generation through chemistry and gate voltage; Quantitative response; And time-integrated response to cumulative impressions. TFT architectures can be created using CMOS processes for manufacturing in very parallel and low cost.
게이트 바이어스를 인가하는 능력은 장치의 민감도를 조절할 수 있다. Fan 등의 이전 연구[Fan, Z. 등. "ZnO nanowires field-effect transistor and oxygen sensing property" Appl. Phys. Lett. 2004, (85) 24, 5923-5925, 본원에서 참조 4로 표시됨]는 아연 산화물(ZnO) 나노와이어 전계 효과 트랜지스터로 만든 산소 센서를 제시하였다. 이 연구는 산소에 대한 장치의 민감도는 게이트 바이어스에 대한 함수로서 변화된다는 것을 보였다. 그러나 이 장치는 본 발명과는 기본적인 차이를 가지고 동작한다. 이 장치 내의 산소는 ZnO 표면으로 물리적으로 흡착된다. 산소 흡착원자(adatom) (흡착된 원자)는 음성 전기적이며, 반도체로부터 전자 밀도를 이동시켜, 전류 캐리어들의 분포를 변경시킨다. 전류 농도에 있어서의 이러한 변화는 게이트 바이어스가 임의의 반도체에 인가될 때 발생하는 것과 동일한 것이며, 정의상 전계 효과에 의한 전류에 있어서의 변화이다. 이러한 종래 장치는 ChemFET로서 동작한다. 이러한 장치는 통상적인 산소 농도에서의 표면 포화로 인해 주변 환경 조건에서 동작하지 않을 것이다. 이는 센서가 아니라, 환경에 있어서의 변화로 인한 트랜지스터 응답에 있어서의 물리적 변화일 뿐이다.The ability to apply a gate bias can adjust the sensitivity of the device. Previous work by Fan et al. [Fan, Z. et al. "ZnO nanowires field-effect transistor and oxygen sensing property" Appl. Phys. Lett. 2004 , (85) 24, 5923-5925, indicated herein by
본 발명은 금속 산화물 표면에서의 화학적 반응을 통해 동작한다. 이러한 화학적 반응은 센서의 반도체층으로부터 전자들을 (산화를 통해) 추가하거나 (환원을 통해) 제거할 수 있다. 전자의 수에 있어서의 변화는 장치를 통과하는 전류를 변화시킬 것이다. 심지어 물질이 약한(poor) 반도체일지라도 전자들의 제거는 항상 전류에 있어서의 변화를 야기할 것이지만, 전자 밀도 또는 분포를 변화시키는 산소 흡착은 그렇지 않을 것이다.The present invention works through chemical reactions on metal oxide surfaces. This chemical reaction can add (via oxidation) or remove (via reduction) electrons from the semiconductor layer of the sensor. Changes in the number of electrons will change the current through the device. Even if the material is a poor semiconductor, the removal of electrons will always cause a change in current, but oxygen adsorption that changes the electron density or distribution will not.
그에 앞서, Dalin [Dalin, J. "Fabrication and characterization of a novel MOSFET gas sensor" Final Thesis at Linkopings Institute of Technology, Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques, Frieburg, Germany, 6-5-2002, LiTH-ISY-EX-3184, 본원에서 참조 5 나타냄]은 게이트 바이어스가 200℃ 또는 280℃에서 동작되는 주석 산화물(SnO2) 가스 센서를 통과한느 전류를 조절할 수 있다는 것을 제시하였다. 이는 가열형 센서이다. 센서를 통과하는 전류 레벨이 변경되었지만, 민감도는 그렇지 않았다. 예를 들어, 참조 5의 도 6.5는 변경가능한 게이트 바이어스에서 상이한 CO 농도에 대한 실제 전류 값을 도시한다. 이 도는 각각의 게이트 바이어스에서의 센서 응답 전류의 현저한 변화를 도시한다. 참조 5의 도 6.6에서, CO에 대한 가열형 SnO2 센서의 응답은 실제 전류를 넘는 초기 전류로서 그려진다. 이 도에서, 측정할 수는 있지만, 게이트 바이이서의 함수로서는 민감도에 있어서 작은 변화이다. 만약 반응에 의한 변화를 조사한다면, 반응의 베이스라인(baseline)은 노출된 반응과 거의 동일하게 변화한다는 것을 알 수 있다. 이는 게이트 바이어스가 센서를 통과하는 전류 레벨을 변화시키기만, 민감도를 증가시키지는 않는다는 것을 나타낸다. 참조 5의 센서는 낮은 온도에서 동작하지 않았다.Prior to that, Dalin [Dalin, J. "Fabrication and characterization of a novel MOSFET gas sensor" Final Thesis at Linkopings Institute of Technology, Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques, Frieburg, Germany, 6-5-2002, LiTH-ISY-EX -3184, herein indicated 5, shows that the gate bias can regulate the current through the tin oxide (SnO 2 ) gas sensor operated at 200 ° C or 280 ° C. This is a heated sensor. The level of current through the sensor has changed, but the sensitivity has not. For example, FIG. 6.5 of
본 발명의 게이터형 금속 산화물 센서는 동작을 위해 열을 필요로 하지 않는다. 이러한 게이트형 금속 산화물 센서는 -60℃에서 100℃ 이상까지 동작한다. 이는 낮은 온도에서의 증가된 응답을 제시한다.The gated metal oxide sensor of the present invention does not require heat for operation. This gated metal oxide sensor operates from -60 to 100 degrees Celsius or more. This suggests an increased response at low temperatures.
기술적 접근법 - 화학:Technical Approach-Chemistry:
근속 산화물 화학은 분석대상 가스의 표면 반응으로부터의 전자 전달을 감지하기 위한 본 발명의 구동력(driving force)이다. 분석대상 가스들은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 일산화탄소(CO) 및 기타 전자 공여 및/또는 전자 수용 종(species)들을 포함한다. 센서의 성공은 금속 산화물에 있어서의 최대화된 반도체 반응을 요구한다. 어떤 금속 산화물 박막/나노파티클 시스템은 본 발명에서 적절한 것으로 생각되지만, 몰리브덴 산화물(MoO3)와 같은 보다 구체적인 과도기적 금속 산화물이 CO에 대한 이의 고유 성질로 인해 사용된다. 금속 산화물은 여러 가지 형태로 존재한다. 예를 들면, 몰리브덴 산화물은 금속의 산화 상태에 따라서 MoO, MoO2, MoO3일 수 있다. 본 발명은 특정 예시로서 MoO3를 인용하고 있지만, 본 발명의 다른 몰리브덴 산화물에도 적용될 수 있다. MoO3는 n-형 반도체이며, 이는 전자 전달을 통해 Co를 산화시킬 것이며, 이는 저항에 있어서 측정 가능한 변화를 야기할 것이다. 몰리브덴 삼산화물은 이의 6가 상태(hexavalent state)로 몰리브덴을 포함한다. 6가 몰리브덴은 이의 4d 오비탈에는 전자가 없다. 따라서, 일산화탄소의 산화는 CO에서 Mo+6으로의 전자 전달을 의미한다. 이의 초기 전자 전달 단계에 뒤이어, 몇 가지 반응 경로들이 이산화탄소로의 일산화탄소의 다음 산화에 대해 가능하다. 가장 일반적으로, 이러한 경로는 빠른 자유 라디칼 체인(free radical chain) 단계를 의미하며, 이는 빠르고 민감한 센서로 이동된다.Continuous oxide chemistry is the driving force of the present invention for sensing electron transfer from the surface reaction of the analyte gas. Gases to be analyzed include, but are not limited to, carbon monoxide (CO) and other electron donating and / or electron accepting species. The success of the sensor requires a maximized semiconductor reaction in the metal oxide. While certain metal oxide thin film / nanoparticle systems are deemed appropriate in the present invention, more specific transitional metal oxides such as molybdenum oxide (MoO 3 ) are used because of their inherent properties for CO. Metal oxides exist in many forms. For example, molybdenum oxide may be MoO, MoO 2 , MoO 3 depending on the oxidation state of the metal. Although the present invention cites MoO 3 as a specific example, it may be applied to other molybdenum oxides of the present invention. MoO 3 is an n-type semiconductor, which will oxidize Co through electron transfer, which will cause a measurable change in resistance. Molybdenum trioxide includes molybdenum in its hexavalent state. Hexavalent molybdenum has no electrons in its 4d orbital. Thus, oxidation of carbon monoxide means electron transfer from CO to Mo +6 . Following its initial electron transfer step, several reaction pathways are possible for the next oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide. Most commonly, this pathway means a fast free radical chain stage, which is transferred to a fast and sensitive sensor.
본 발명은, 이로 한정되는 것은 아니지만, CO 탐지를 위해 몰리브덴 산화물 나노파티클을 포함한다. 몰리브덴 산화물은 본 발명에 적당한 임의의 고유 특성을 나타낸다. 다른 금속 산화물도 고체 상태 센서 설계로 사용될 수 있지만, 어느 것도 몰리브덴 산화물과 동일한 특성을 가지고 있진 않다. 6B족에 있는 두 개의 다른 금속들은 크롬(Cr)과 텅스텐(W)이다. 이들은 몰리브덴 산화물과 유사한 화학적 성질을 갖는다. 주기의 가장 위에 있는 CrO3는 보다 반응적일 것이다. 이러한 반응성은 비용으로 나타난다. 보다 반응적인 종들은 반응을 역으로 하기에, 즉 센서를 리프래시 하기에 어려움을 증가시키는 보다 안정한 생성물을 생성할 것이다. 또한 증가된 반응성은 센서의 선택도를 감소시킬 것이다. 거꾸로 행의 가장 아래에 있는 WO3는 덜 반응적이어서 민감도를 감소시키겠지만 더 쉽게 역으로 된다. 몰리브덴 산화물은 가장 쉬운 가역성을 가지면서도 가장 높은 반응성을 갖는다. 6B족 외의 금속 산화물들은 CO에 대해 요구되는 민감도 또는 선택도를 나타내지 않았다. 이는 주석 이산화물을 포함한다.The present invention includes, but is not limited to, molybdenum oxide nanoparticles for CO detection. Molybdenum oxide exhibits any inherent properties suitable for the present invention. Other metal oxides can be used in the solid state sensor design, but none have the same properties as molybdenum oxide. Two other metals in Group 6B are chromium (Cr) and tungsten (W). They have similar chemical properties to molybdenum oxides. CrO 3 at the top of the cycle will be more reactive. This reactivity is expressed in cost. More reactive species will produce a more stable product that reverses the reaction, ie increases the difficulty of relashing the sensor. Increased responsiveness will also reduce the selectivity of the sensor. Conversely, WO 3 at the bottom of the row is less reactive and will reduce sensitivity, but more easily reverses. Molybdenum oxide has the highest reactivity while having the easiest reversibility. Metal oxides other than Group 6B did not exhibit the required sensitivity or selectivity for CO. This includes tin dioxide.
제안된 센서 시스템에 대한 수분 증기와 같은 화학적 방해물은 문제가 되지 않는다. 이산화탄소, 이산화질소, 또는 포화 탄화수소와 같은, 자동차, 또는 산업 또는 가정 환경에서 가능한 기타 오염물질은 이러한 센서 시스템을 방해하는 것으로 예상되지 않는다. 이들은 전자 전달을 통한 MoO3를 고정시키지 않을 것이며, 따라서 신호를 생성하지 않을 것이다. 특정 분석대상에 특정적이고 선택적일 금속 산화물 물질을 설계하는 것이 가능하다. 또한, 특정 분석대상의 민감도를 배제시 킬 금속 산화물 물질을 설계하는 것도 가능하다. 추가적으로 금속 산화물 물질에 인가된 게이트 바이어스는 화학적으로 유사한 분석대상에 대한 선택도를 강화시킬 수 있다.Chemical obstructions such as moisture vapor for the proposed sensor system are not a problem. Automotive, or other contaminants possible in an industrial or home environment, such as carbon dioxide, nitrogen dioxide, or saturated hydrocarbons, are not expected to interfere with this sensor system. They will not fix MoO 3 through electron transfer and therefore will not generate a signal. It is possible to design metal oxide materials that will be specific and selective to a particular analyte. It is also possible to design metal oxide materials to exclude the sensitivity of a particular analyte. Additionally, gate bias applied to metal oxide materials can enhance selectivity for chemically similar analytes.
구형 나노파티클 막의 사용은 다른 형태의 나노파티클과 비교할 때 몇가지 장점이 있다. 구형 나노파티클은 활성 표면 원자(5-300 nm 범위의 지름)의 확률을 증가시킨다. "벌크(bulk)"라고 불리는, 파티클의 중간에 있는 원자들은 어떠한 반응 또는 바인딩(binding) 이벤트에 전기적으로 기여하지 않는다. 반응 또는 바인딩 이벤트가 발생할 때, 이러한 표면 원자는 나노파티클의 전체 전기적인 구조에 더욱 기여한다. 이렇게 증가된 기여는 작접 증가된 신호로 변환된다. 준-구형 나노파티클은 벌크 비율에 대해 유사한 표면을 갖는다. 이는 기판 상의 나노-"범프(bump)' 또는 표면 상의 물질의 작은 그레인들을 포함할 것이다. 추가적으로 금속 산화물의 매우 얇은 박막은 벌크 비율에 있어서 높은 표면으로 인해 증가된 민감도를 나타낼 것이다. 최대 민감도는 특정 반도체 물질에 대해 디바이(debye)-길이에 가까운 두께일 때 발생할 것이다. 그러나, 전체 전도성도 고려되어야만 한다.The use of spherical nanoparticle membranes has several advantages over other types of nanoparticles. Spherical nanoparticles increase the probability of active surface atoms (diameter in the range of 5-300 nm). The atoms in the middle of the particle, called "bulks," do not contribute electrically to any reaction or binding event. When a reaction or binding event occurs, these surface atoms further contribute to the overall electrical structure of the nanoparticles. This increased contribution translates into a signal that is increased slightly. Semi-spherical nanoparticles have a similar surface to bulk ratio. This will include nano- "bumps" on the substrate or small grains of material on the surface. In addition, very thin films of metal oxides will exhibit increased sensitivity due to the high surface in bulk ratio. This will occur when the thickness is close to the divide-length for the semiconductor material, but overall conductivity must also be considered.
TFT 센서 설계:TFT sensor design:
MoO3의 반도체 성질로 인해, 본 발명은 CO 센서의 신호 출력을 최대로 하기 위해서 박막 트랜지스터(TFT) 아키텍처를 사용한다. 몰리브덴 산화물은 n-형 반도체 물질이다. 이는 물질을 통과하는 전도성이 일반적으로 게이트라고 불리는 제 3 단자에 의해 조절될 수 있다는 것을 의미한다. 이것이 n-형 반도체이기 때문에, 양의 게이트 전압으로 이동될수록 저항은 감소할 것이다. CO에서 CO2로의 산화에 의한 전자 전달은 MoO3 막내의 전자 개수를 증가시킬 것이며, 따라서 캐리어의 개수, 및 장치를 통과하는 전류도 증가시킬 것이다. 이는 양의 게이트 전압을 인가하는 것과 동일하게 효과적이다.Due to the semiconductor nature of MoO 3 , the present invention uses a thin film transistor (TFT) architecture to maximize the signal output of the CO sensor. Molybdenum oxide is an n-type semiconductor material. This means that the conductivity through the material can be controlled by a third terminal, commonly called a gate. Since this is an n-type semiconductor, the resistance will decrease as it is moved to a positive gate voltage. Electron transfer by oxidation from CO to CO 2 will increase the number of electrons in the MoO 3 film, thus increasing the number of carriers and the current through the device. This is equally effective as applying a positive gate voltage.
다시 도 2를 참조하면, 도 2는 CO 탐지를 위한 금속 산화물 반도체 박막 트랜지스터를 도시한다. 전자 전달은 CO가 금속 산화물의 표면에서 산화될 때 발생한다. 이러한 표면 반응은 n-형 반도체의 캐리어 농도를 변화시키며, 전류 변화로 측정된다.Referring back to FIG. 2, FIG. 2 shows a metal oxide semiconductor thin film transistor for CO detection. Electron transfer occurs when CO is oxidized at the surface of the metal oxide. This surface reaction changes the carrier concentration of the n-type semiconductor and is measured by the current change.
MoO3의 반도체 성질은 센서의 증가된 민감도에 기여한다. TFT 아키텍처는 고유 이득을 가지며, 이는 게이트 전압에 있어서의 매우 작은 변화(예를 들어 CO의 산화에 의해 야기된 전자 전달)가 전류에 있어서의 변화를 생성한다는 것을 말한다. CO와 같은 가스의 산화로부터 금속 산화물 나노파티클 구조(framework)로의 전자 전달 이벤트는 도 1에 도시된다. 도 1에서 도시된 것과 같이, 이러한 전자 전달 이벤트는 전류에 있어서의 변화를 야기하며, 이는 전류 대 게이트 전압 곡선의 경사도에 따라서 몇 차수(order)의 크기에 이를 수 있다. 이러한 곡선은 n-형 반도체 물질에 기초한다. 본 발명은 반도체 채널 p-형을 제조함으로써 감소할 수 있는 가스를 위해 조절될 수 있다. 이러한 타입의 장치에서, 표면은 산화된 화학적 종이 감소되도록 하는 전자를 제공할 것이다. n-형에서 p-형으로의 변화는 베 이스 금속, 다른 금속들의 합금 또는 소량의 추가적인 물질로의 도핑을 변경시킴으로써 금속 산화물의 화학적 성질에 있어서의 변화를 필요로 할 것이다.The semiconductor nature of MoO 3 contributes to the increased sensitivity of the sensor. TFT architecture has an inherent gain, which means that very small changes in gate voltage (e.g., electron transfer caused by oxidation of CO) produce changes in current. The electron transfer event from the oxidation of a gas such as CO to the metal oxide nanoparticle framework is shown in FIG. 1. As shown in FIG. 1, this electron transfer event causes a change in current, which can reach orders of magnitude depending on the slope of the current versus gate voltage curve. This curve is based on n-type semiconductor material. The present invention can be adjusted for gases that can be reduced by making semiconductor channel p-types. In this type of device, the surface will provide electrons that allow the oxidized chemical species to be reduced. The change from n-type to p-type will require a change in the chemical properties of the metal oxide by changing the doping of the base metal, the alloy of other metals or a small amount of additional material.
이제 도 3를 참조하면, 도 3은 n-형 반도체에 대한 전류 대 게이트 전압을 도시하며, 이는 CO로부터의 전자 전달에 의한 작은 게이트 전압(ΔV)을 변화시키는 것에 따른 전류(ΔI)에 있어서의 높은 고유 변화를 나타낸다.Referring now to FIG. 3, FIG. 3 shows the current versus gate voltage for an n-type semiconductor, which is in terms of the current ΔI as a result of changing the small gate voltage ΔV due to electron transfer from CO. High intrinsic change.
도 3에서 알 수 있듯이, 점 A에서 점 B로의 이동은 게이트 전압에 있어서 단지 작은 변화만을 필요로 한다. 이렇게 전압에 있어서의 작은 변화는 전류에 있어서의 큰 변화(대략 3차수의 크기)를 야기하며, 따라서 고유의 ΔV/ΔI를 증가시킨다. 이러한 신호 증폭은 민감도의 비할 데 없는 레벨을 허용하며, 그렇지 않으면 켐레지스터(chemresistor) 변환에서는 달성될 수 없다. 추가로, 게이트 전압의 조절은 세선가 I-V 곡선, 즉 여기서는 기울기의 가장 민감한 영역에서 동작하도록 하며, 따라서 장치의 민감도는 가장 경사가 급하다.As can be seen in FIG. 3, the movement from point A to point B requires only a small change in gate voltage. This small change in voltage causes a large change in current (approximately three orders of magnitude), thus increasing the inherent ΔV / ΔI. This signal amplification allows for an unparalleled level of sensitivity or otherwise cannot be achieved in chemistoristor conversion. In addition, adjustment of the gate voltage causes the thin wire to operate in the I-V curve, here the most sensitive region of the slope, so the sensitivity of the device is the steepest.
TFT 아키텍처는 아래에 설명될 것과 같이 도전성 기판 상의 MoO3 나노파티클들을 전기화학적으로 증착하는 방법을 포함한 방법에 의해 제조될 수 있다. 또한, 금속 산화물은 용액 방법(solution method)에 의해서 증착될 수 있다. 또한, 금속 산화물은 얇은 금속 막 또는 금속 나노파티클 막을 산화시킴으로써 성장될 수 있다.TFT architecture can be fabricated by methods including the method of electrochemically depositing
본 발명자는 예를 들어 PC 인터페이스를 갖는 감리 포텐셔스테이트(Gamry Potentiostat)를 사용하여 두 가지 병렬적인 접근 방법으로 성장하는 나노파티클을 고찰한다. 접근법 I에서, 프로세스는 도전성 기판 상에 나노파티클들의 직접 증착 을 포함하며, 그 후 도전성 기판의 표면부를 절연층으로 변환한다. 접근법 I에서, 두 단계의 프로세스는 도전성 기판 상에 나노파트클들의 간접적인 증착과 도전성 기판으로부터 나노파티클을 제거하는 것을 포함하며, 그 후 절연 기판 상에 나노파티클들의 증착이 뒤따른다. 직접적인 그리고 간접적인 증착은 전기화학적 성장과 같은 예시적인 방법으로 설명되지만, 본 기술분야에 공지된 대안적인 증착 방법 - 예를 들어 스퍼터링, 열적 이베포레이션, 전자 빔 이베포레이션 등 - 들이 고려될 수 있다는 것은 이해될 수 있을 것이다. 또한 증착 방법에 따라서, 최초 증착은 임의의 적당한 표면 상에서 발생 될 수 있으며, 도전체, 절연체 및 반도체 사이에서 선택한다.We consider nanoparticles growing in two parallel approaches using, for example, Gamry Potentiostat with a PC interface. In Approach I, the process involves the direct deposition of nanoparticles on a conductive substrate, which then converts the surface portion of the conductive substrate into an insulating layer. In Approach I, a two-step process involves indirect deposition of nanoparts on a conductive substrate and removal of nanoparticles from the conductive substrate, followed by deposition of nanoparticles on the insulating substrate. Direct and indirect deposition are described by way of example, such as electrochemical growth, but alternative deposition methods known in the art, such as sputtering, thermal evaporation, electron beam evaporation, etc., may be considered. It can be understood that there is. Also depending on the deposition method, the initial deposition can occur on any suitable surface, selecting between conductors, insulators and semiconductors.
제조 단계:Manufacturing steps:
1. 접근법 I: 금속 산화물 나노구조의 전기화학적 성장:Approach I: Electrochemical Growth of Metal Oxide Nanostructures:
이제 도 3을 참조하면, 도 3은 MoO3 TFT-기반의 CO 센서를 생성하기 위한 전기화학적 제조 단계를 도시한다. 단계 A는 SI 기판 상에 나노파티클 막을 전기화학적으로 증착할 것이다. 단계 B는 게이트 산화물을 열적으로 성장시킬 것이다.Referring now to FIG. 3, FIG. 3 illustrates an electrochemical fabrication step to create a MoO 3 TFT-based CO sensor. Step A will electrochemically deposit a nanoparticle film on the SI substrate. Step B will thermally grow the gate oxide.
여전히 도 3을 참조하면, 본 발명자는 도전성 실리콘 기판으로 시작할 것이며, 도전성 막이 달성되어 단계 B에 도달 할 때 까지 나노파티클을 직접적으로 성장시킨다. 실리콘 기판은 결국 전역 후면 게이트(global back gate)로서 기능할 것이다. 금속 산화물 나노구조의 전기화학적 제조는 두 단계 과정에 의해 수행될 것이며, 이 두 단계 과정은 결정핵생성(nucleation) 단계(10초 이하의 짧은 시간동 안 높은 음전압을 인가), 및 수용성/유기성 금속 산화물 용액 내에서 낮은 음전압으로의 장기간의 성장 단계(10분 까지)를 포함한다. 전기화학적 제조는 일정한 전압 모드(크로노암페로메트리(chronoamperometry)) 또는 일정한 전류 모드(크로노포텐셔메트리(chronopotentiometry))로 수행될 수 있다.Still referring to FIG. 3, the inventors will begin with a conductive silicon substrate and grow the nanoparticles directly until the conductive film is achieved and reaches step B. The silicon substrate will eventually function as a global back gate. Electrochemical fabrication of metal oxide nanostructures will be carried out by a two step process, which involves a nucleation step (high negative voltage for a short time of less than 10 seconds), and water / organic A long growth stage (up to 10 minutes) with low negative voltage in the metal oxide solution. Electrochemical preparation can be performed in a constant voltage mode (chronoamperometry) or in a constant current mode (chronopotentiometry).
열 산화는 몰리브덴 산화물층 하에서 실리콘 산화물을 성장시키기 위해서 전기화학적 성장 후에 뒤따를 것이다.(단계 B) 이러한 1000℃ 열 단계는 두 가지 기능을 제공할 것이다. 첫째로, 고품질의 열적 실리콘 산화물 게이트 절연체를 제공할 것이며, 포토리소그래피의 정렬 문제를 피할 것이다. 둘째로, 열층은 전도성을 증가시키기 위해 반도체 몰리브덴 산화물 막을 어닐링 할 것이다. 더 높은 전도성은 낮은 전류 신호를 측정할 때 노이즈를 감소시키기 위한 복잡한 전자기기들에 대한 필요를 줄일 것이다. 금속 산화물을 직접 전기 도금하는 것에 대한 대안으로써, 제 2의 유사한 접근법도 가능하다.Thermal oxidation will follow after electrochemical growth to grow silicon oxide under the molybdenum oxide layer. (Step B) This 1000 ° C. thermal step will provide two functions. First, it will provide high quality thermal silicon oxide gate insulators and avoid the alignment problem of photolithography. Secondly, the thermal layer will anneal the semiconductor molybdenum oxide film to increase conductivity. Higher conductivity will reduce the need for complex electronics to reduce noise when measuring low current signals. As an alternative to direct electroplating of metal oxides, a second similar approach is possible.
2. 접근법 II: 금속 산화물 나노구저의 간접적 전기화학적 성장:2. Approach II: Indirect Electrochemical Growth of Metal Oxide Nanospheres:
본 발명은 절차를 수반할 것이며, 여기서 몰리브덴 산화물은 결정핵생성되고, 도전성 기판 상에서 성장(예를 들어 새로 쪼개진 흑연 표면)될 것이며, 이에 뒤이어 도전성 기판으로부터 나노파티클들의 제거 및 용액 상태에서의 수집이 뒤따를 것이다. 이것은 우리가 임의의 절연 기판 상으로 나노파티클들을 증착하는 것을 해결하도록 할 것이다. 우리는 드롭 캐스팅(drop casting) 또는 랭뮈어-블로젯(Langmuir-Blogett) 용액 기반 기술을 사용하여 도전성 나노파티클 막들을 생성할 것이다. 이러한 두 기술은 연속적인 나노파티클 막을 증착하는데 공지되어 있 다. 이러한 기술들은 도 4에서 도시된다. 일단 몰리브덴 산화물 막이 형성되면, 우리는 전방의 최종 장치 프로세싱 내로 이동시킬 것이다.The present invention will involve a procedure wherein molybdenum oxide will nucleate and grow on a conductive substrate (eg, a newly cleaved graphite surface), followed by removal of nanoparticles from the conductive substrate and collection in solution Will follow. This will allow us to solve the deposition of nanoparticles onto any insulating substrate. We will create conductive nanoparticle films using drop casting or Langmuir-Blogett solution based technology. These two techniques are known for depositing continuous nanoparticle films. These techniques are shown in FIG. Once the molybdenum oxide film is formed, we will move it to the front end device processing.
다시 도 4를 참조하면, 도 4는 MoO3 TFT 기반의 CO 센서를 생성하기 위한 간접적 전기화학적 제조 단계들을 도시한다. 단계 A는 도전성(예를 들어, 흑연) 기판 상에 나노파티클막을 전기화학적으로 증착할 것이며, 이에 뒤이어 수확(harvest) 단계가 뒤따르며 여기서 나노파트클들은 액체 현탁액(suspension) 내에서 분산된다. 그리고 나노파트클들은 절연 기판 상의 랭뮈어 블로젯 막 또는 드롭캐스트와 같은 것에 의해서 증착될 수 있다.Referring again to FIG. 4, FIG. 4 shows indirect electrochemical fabrication steps for creating a
3. 접근법 III: 금속 증착 후의 산화.3. Approach III: Oxidation after metal deposition.
본 발명은 절차를 수반할 수 있으며, 여기서 몰리브덴은 기판 상으로 증착된다. 이러한 금속층은 금속 나노파티클들의 액체 현택액, 열적 이베포레이션, 스퍼터링, 전자 빔 이베포레이션 또는 기술분야에 공지된 다른 기술로 증착될 수 있다. 이러한 금속 층은 절연 기판 상에 증착될 것이며, 이에 뒤에어 금속 산화물에 대한 산화가 뒤따를 것이다. 금속 층은 산소를 함유한 환경에서 가열함으로써 산화될 수 있다. 산화 온도와 시간을 제어하는 것은 금속 층의 전도성을 조절할 것이다. 금속은 100℃ 내지 1400℃의 온도에서 산화될 수 있다. 또한 금속은 화학적으로 또는 전기화학적으로 산화될 수 있다. 일단 이러한 금속 산화물층이 형성되면, 우리는 최종 프로세싱으로 이동시킬 수 있다.The present invention may involve a procedure wherein molybdenum is deposited onto the substrate. This metal layer may be deposited by liquid suspension of metal nanoparticles, thermal evaporation, sputtering, electron beam evaporation or other techniques known in the art. This metal layer will be deposited on the insulating substrate, followed by oxidation to the metal oxide. The metal layer can be oxidized by heating in an oxygen containing environment. Controlling the oxidation temperature and time will control the conductivity of the metal layer. The metal may be oxidized at a temperature of 100 ° C to 1400 ° C. The metal can also be oxidized chemically or electrochemically. Once this metal oxide layer is formed, we can move on to final processing.
4, 최종 포토리소그래피 제조 단계 및 장치 어셈블리:4, final photolithography manufacturing steps and device assembly:
이제 도 5를 참조하면, 도 5는 MoO3 CO 센서에 대한 포토리소그래피 제조 단계를 도시한다.Referring now to FIG. 5, FIG. 5 illustrates a photolithography fabrication step for a MoO 3 CO sensor.
접근법 I, II, 또는 III을 완료하면, 몇 가지 추가적인 단계들이 본 장치를 완성하는데 필수적일 것이다. 다시 도 5를 참조하면, 소스와 드레인을 생성하는 제 1 금속 콘택 전극은 표준 포토리소그래피 및 리프트-오프(lift-off)를 사용하여 MoO3 막 상에 이배포레이트 될 것이다.(단계 C) 이러한 콘택들은 장치의 활성 영역을 통과하는 전류 또는 저항을 측정하는데 사용될 것이다. 다음으로, 장치의 활성 영역은 단계 D에서 도시된 것과 같이 포토리소그래피를 사용하여 패터닝될 것이다. 포토레지스트(photoresist)는 다음의 반응성 이온 에칭을 위해 보호막을 생성할 것이다. 이러한 에칭 단계는 칩 상의 원치 않는 영역에서 몰리브덴 산화물을 제거하고, 인접한 센서 간의 혼선을 방지하고, 활성 종단 장치의 크기(dimension)를 결정할 것이다. 최종 단계는 절연 실리콘 산화물 내에 홀을 생성할 것이며, 그 후 금속화에 의해 아래에 놓은 기판에 게이트 콘택을 생성할 것이다(단계 E에서 도시된 것과 같이). 웨이퍼 제조의 완료 후에, 개개의 센서 엘리먼트로 쪼개질 것이다. 그리고 센서들은 적절한 에폭시를 사용하여 멀티-핀 헤더에 장착될 것이다. 그리고 세 개의 콘택(소스, 드레인 및 게이트)은 기술분야의 당업자에게 공지된 패킹(packaging) 방법을 사용하여 헤더 핀(header pin)에 전선으로 연결될 것이다.Upon completing Approaches I, II, or III, several additional steps will be necessary to complete the device. Referring again to FIG. 5, the first metal contact electrode that generates the source and drain will be double-plated onto the MoO 3 film using standard photolithography and lift-off. (Step C) The contacts will be used to measure the resistance or current through the active region of the device. Next, the active region of the device will be patterned using photolithography as shown in step D. The photoresist will create a protective film for subsequent reactive ion etching. This etching step will remove molybdenum oxide in unwanted areas on the chip, prevent crosstalk between adjacent sensors, and determine the dimensions of the active termination device. The final step will create a hole in the insulated silicon oxide, and then create a gate contact to the underlying substrate by metallization (as shown in step E). After completion of wafer fabrication, they will be broken into individual sensor elements. The sensors will then be mounted to the multi-pin header using an appropriate epoxy. And the three contacts (source, drain and gate) will be wired to the header pin using a packing method known to those skilled in the art.
마이크로프로세서 개발과 장치 통합:Microprocessor Development and Device Integration:
본 발명의 일부로서 개발된 마이크로프로세서는 게이트 전압을 조절하고, 우 리의 CO 센서를 통해서 전류를 측정하고, CO 농도를 계산하고, 디지털 디스플레이를 구동하고, 알람장치에 출력하는 능력을 구비할 것이다. 장치 박스는 피에조-계(piezo-based) 청각 알람장치 및 LED 기반의 시각 알람장치 모두를 포함할 것이다. 마이크로프로세서는 하나 이상의 입력 채널을 동작시키는 것이 요구될 것이다. 동작하지 않는 대조 센서가 노화(aging) 및 온도 흐름을 상쇄하기 위해서 장치 내에 통합될 것이다. 대조 채널은 각각의 샘플링 주기 동안 활성 센서와 함께 측정 될 것이다. 데이터 샘플들은 노이즈를 필터링하기 위해서 평균내어지고, CO 농도 레벨로 변환된다. 온-보드 LCD 디스플레이는 매 20 초 또는 그 이하로 업데이트될 것이다.Microprocessors developed as part of the present invention will have the ability to adjust gate voltage, measure current through our CO sensor, calculate CO concentration, drive a digital display, and output to an alarm device. The device box will include both a piezo-based acoustic alarm and an LED based visual alarm. The microprocessor will be required to operate one or more input channels. A non-operating control sensor will be integrated into the device to counteract aging and temperature flow. The control channel will be measured with the active sensor during each sampling period. Data samples are averaged to filter noise and converted to CO concentration levels. The on-board LCD display will be updated every 20 seconds or less.
이제 도 6을 참조하면, 도 6은 원격 어플리케이션을 위한 무선주파수(RF) 통합을 도시한다.Referring now to FIG. 6, FIG. 6 illustrates radio frequency (RF) integration for remote applications.
동일한 아키텍처는 원격 판독(readout)을 위한 저-전력 RF 링크와 완전히 호환될 것이다. 다시 도 6을 참조하면, 도 6은 가능한 배치를 도시한다. 소프트웨어 성능은 정상적인 "동작중", 배터리 상태 보고, 및 측정치 변화 판독을 처리할 것이다. 0.1% 활동도(activity)의 대략 듀티 사이클은 약 10 초 간격에서 발생하는 CO 변화를 보고하기 위해 가정된다. 이는 약 2mW의 정체 전력 소비를 유지하며, 0.1% 간격으로 발생한다. 이러한 낮은 평균 전력 소비는 오랜 배터리 기간을 가능하게 한다.The same architecture will be fully compatible with low-power RF links for remote readout. Referring again to FIG. 6, FIG. 6 shows a possible arrangement. Software performance will handle normal “in operation”, battery status reports, and readings of measurement changes. An approximate duty cycle of 0.1% activity is assumed to report the CO change occurring at about 10 second intervals. This maintains about 2mW of static power consumption and occurs at 0.1% intervals. This low average power consumption allows for long battery life.
본 발명은 다음의 예시에 의해 더욱 쉽게 그리고 완전히 이해될 것이다. 본 예는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서를 나타낸다.The invention will be more readily and fully understood by the following examples. This example shows a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
예시example
예시적인 감지 화합물과 같은, 몰리브덴 삼산화물을 박막 트랜지스터 아키텍처의 일부로서 배열된 박막 내에서 성장시킴으로써 센서가 준비되었다. 성장은 몰리브덴의 전자 빔 이베포레이션이 이용되고, 그 후 몰리브덴의 열 산화가 뒤따른다. 막 구조는 전자 주사 현미경(SEM)을 사용하여 특징지어진다. 막은 나노파티클 구조를 구비하였다. 증착된 금속 막은 20 nm보다 작은 두께를 구비하였다.The sensor was prepared by growing molybdenum trioxide, such as an exemplary sensing compound, in a thin film arranged as part of a thin film transistor architecture. Growth is followed by electron beam evaporation of molybdenum followed by thermal oxidation of molybdenum. The membrane structure is characterized using an electron scanning microscope (SEM). The membrane had a nanoparticle structure. The deposited metal film had a thickness of less than 20 nm.
도 7은 봉인된 챔버 안에서 50ppm에서 일산화탄소의 연속적인 흐름에 대한 센서의 반응을 도시한다. 센서는 실온에서 동작되었다. 반응은 시간에 대한 함수로써, 일산화탄소가 없을 때의 저항(R0)에 대한 일산화탄소가 존재할 때의 저항(R)의 정규화된 비율로 측정되었다. 응답은 게이트 전압이 2가지 다른 값, +5V 및 -5V일 때에 대해 측정되었다. ON 및 OFF라고 표시된 선들은 켜지고 꺼져있는 CO의 양을 나타낸다. 위에 있는 곡선(-5Vg)은 CO에 대한 응답을 도시한다. 아래에 있는 곡선(+5Vg)은 CO에 대해 응답이 없음을 도시한다. 이 결과는 게이트 전압을 변경시킴으로써 센서의 응답이 조절될 수 있음을 증명한다.7 shows the sensor's response to a continuous flow of carbon monoxide at 50 ppm in a sealed chamber. The sensor was operated at room temperature. The response was measured as a normalized ratio of resistance (R) in the presence of carbon monoxide to resistance (R 0 ) in the absence of carbon monoxide as a function of time. The response was measured when the gate voltages were at two different values, + 5V and -5V. The lines marked ON and OFF indicate the amount of CO turned on and off. The upper curve (-5Vg) shows the response to CO. The curve below (+5 Vg) shows no response to CO. This result demonstrates that the response of the sensor can be adjusted by changing the gate voltage.
도 8은 2ppm, 5ppm, 10 ppm, 및 20 ppm의 농도의 증가하는 레벨에서의 일산화탄소의 연속적인 흐름에 대한 동일한 센서의 응답을 도시한다. 센서는 실온에서 동작되었다. 반응은 시간에 대한 함수로써, 일산화탄소가 없을 때의 저항(R0)에 대한 일산화탄소가 존재할 때의 저항(R)의 정규화된 비율로 측정되었다. 결과는 가스의 낮은 레벨에 대한 센서의 민감한 반응을 증명한다. CO에 대한 반응은 선형이 다.8 shows the response of the same sensor to a continuous flow of carbon monoxide at increasing levels of concentrations of 2 ppm, 5 ppm, 10 ppm, and 20 ppm. The sensor was operated at room temperature. The response was measured as a normalized ratio of resistance (R) in the presence of carbon monoxide to resistance (R 0 ) in the absence of carbon monoxide as a function of time. The results demonstrate the sensor's sensitive response to low levels of gas. The response to CO is linear.
또한 이러한 상술된 결과는 게이트 바이어스를 사용함으로써 실온(22도 C)에서 동작하도록 센서를 가열하는 것에 대한 요구조건이 제거되었다는 것을 증명한다.This detailed result also demonstrates that the requirement for heating the sensor to operate at room temperature (22 degrees C) is eliminated by using a gate bias.
본 발명자는 실온에서보다 낮은 온도(예를 들어 -60도 F)에서도 동작 가능하다는 것을 발견하였다. 따라서 센서는 지상에서부터 40,000피트까지 이르는데 직면되는 대기 온도에서 동작할 수 있으며, 따라서 항공기 또는 기타 높은 고도에서의 어플리케이션에서 사용하는데 적응된다. 따라서 센서를 동작시키는 방법은 온도에 따라서 게이트 전압을 조절하는 것을 포함할 수 있다.The inventors have found that they can operate at lower temperatures (eg -60 degrees F) than at room temperature. Thus, the sensors can operate at ambient temperatures facing up to 40,000 feet above ground, and are therefore adapted for use in aircraft or other high altitude applications. Thus, the method of operating the sensor may include adjusting the gate voltage in accordance with the temperature.
또한 본 발명자는 게이트 바이어스가 넓은 범위의 농도에서 다양한 분석대상 가스들에 대해서 조정될 수 있다는 것을 발견하였다.The inventors also found that the gate bias can be adjusted for various analyte gases at a wide range of concentrations.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 센서를 동작하는 방법은 분석대상을 선택하기 위해서 게이트 바이어스 및 감지 화합물의 임의의 하나 또는 조합을 조정하는 것을 포함할 수 있다.Thus, a method of operating a sensor in accordance with an embodiment of the present invention may include adjusting any one or combination of gate bias and sensing compounds to select an analyte.
본 발명 및 이의 장점들이 상세히 기술되었을지라도, 다양하게 변경된 치환 및 수정이 첨부된 청구항에서 정의된 것과 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 여기서 만들어질 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.Although the invention and its advantages have been described in detail, it should be understood that various alterations and modifications can be made here without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0105 | International application |
Patent event date: 20071017 Patent event code: PA01051R01D Comment text: International Patent Application |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |