Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
чувствительности к газам, не содержащим водород, необходимо придать
металлу затвора "дырчатую", или пористую структуру, позволяющую молекулам
газа проникать к границе раздела металл-диэлектрик; в противном случае
газы могут контактировать с последним только за счет растворимости в
металле и диффузии через него. Лундстрем и другие [42] описали ДЗПТ с
пористым палладиевым затвором, а Крей и другие [45] - ДЗПТ с палладиевым
затвором, в котором фотолитографически сформированы отверстия,
позволяющие газу контактировать с границей раздела металл-диэлектрик. На
рис. 26.29 представлена схема поперечного сечения сенсора на основе ДЗПТ
с палла-
27*
420
Глава 26
Рис. 26.29. Поперечное сечение ДЗПТ с палладиевым затвором, в котором
фотолитографически проделаны отверстия (по данным [45]).
диевым затвором с отверстиями. Чувствительность сенсора к СО составляет
около 75 мВ при давлении 0,1 мм рт.ст., а максимальный сигнал-около 150
мВ. Как и ожидалось, этот сенсор чувствителен также к водороду, метану,
бутану и другим водородсодержащим газам. Крей и другие [45] показали, что
чувствительность сенсора к водороду можно снизить по меньшей мере на
порядок, если на палладиевую поверхность нанести тонкую алюминиевую
пленку (толщиной 20 нм). При этом чувствительность по отношению к СО
снижается всего лишь в 2 раза. Очевидно, алюминий затрудняет диффузию
водорода в палладий.
26.8.2. ГПТ с висящим затвором
Описанные выше сенсоры на основе ПТ с затвором из переходных металлов
селективны по отношению к водородсодержащим соединениям, так как только
водород заметно растворим в металле затвора. К сожалению, селективность к
иным газам у других металлов обнаружить не удалось. Для придания
чувствительности и селективности к другим газам необходимы затворы особой
конструкции, которые давали бы доступ газам к границе раздела металл-
диэлектрик и которым в принципе можно было бы придать селективность путем
той или иной модификации поверхностей границ раздела.
Стенберг и Даленбек [46] описали ДЗПТ, в котором под полисиликоновым
затвором диэлектрик частично вытравлен, благодаря чему между небольшой
частью затвора и кремнием создается воздушный зазор. В работе [47] нами
описан ГПТ с "висящим затвором"; как показано на рис. 26.30, в нем
платиновый затвор висит над всей областью затвора транзистора. Ряд
отверстий в платиновом затворе дает доступ газу к воздушному зазору между
металлом и диэлектриком. По своей конструкции этот сенсор близок ИСПТ с
висящей сеткой, описанному в разд. 26.5.4.
Зазор между металлом и диэлектриком можно рассматривать как
дополнительный диэлектрик с диэлектрической проницаемостью, близкой к 1.
Если в зазор проникают полярные молекулы, то диэлектрическая
проницаемость воздушного зазора изменяется незначительно. Напротив, если
такие молекулы адсорбируются на поверхности металла или диэлектрика,
сохраняя при этом какую-либо преимущественную ориентацию, то возникает
дипольный потенциал ¦/, вносящий свой вклад в поверхностный потенциал:
Х=-1Хт,- (26.32)
е0 ;
Химически чувствительные полевые транзисторы
421
Рис. 26.30. Поперечное сечение ГПТ с висящим затвором. I-инверсионный
слой; 2-кремниевая подложка; 3 - диэлектрик; 4-воздушный зазор; 5-висящий
палладиевый затвор (по данным [47]).
Здесь Nt-плотность адсорбированных молекул; щ вертикальная составляющая
их дипольного момента (не путать с химическим потенциалом, обозначаемым
тем же символом); е0-диэлектрическая проницаемость вакуума. Наряду с
приложенным к затвору напряжением VG этот потенциал можно рассматривать
как источник напряжения. Следовательно, изменение плотности
адсорбированных молекул приведет к изменению суммарного электрического
поля и таким образом к изменению тока стока. В режиме постоянного тока
стока это изменение поверхностного потенциала можно контролировать
непосредственно.
Висящую металлическую сетку формируют на кремниевой пластине, на которой
предварительно уже изготовлено множество ПТ без металлизации затворов.
Висящую сетку создают, проделывая множество отверстий в платиновой
пленке, нанесенной на тонкую алюминиевую пластину. Затем через отверстия
алюминий вытравливают из-под пленки, после чего остается сетка, висящая
над затвором ПТ. Обычно алюминиевая пластина имеет толщину 100 нм,
поэтому и образующийся воздушный зазор
Время, ч
Рис. 26.31. Отклик ГПТ с висящим затвором на введение в поток азота 5 мкл
метанола (1), метиленхлорида (2), н-гептана (3) (по данным [47]).
422
Глава 26
имеет такую же высоту. Диаметр отверстий, отстоящих одно от другого на 10
мкм, равен 5 мкм. Процесс изготовления таких устройств детально описан в
работе [47].
Химический отклик сенсора сначала изучали в потоке, вводя 5 мкл
исследуемого вещества в камеру-испаритель объемом 5 мл; из камеры
вещество вымывалось током газа-носителя и направлялось на ГПТ. Кривые
отклика представлены на рис. 26.31. Отсутствие отклика на пентан и другие
неполярные молекулы подтверждает концепцию об изменении поверхностного
