一種基於場效應管的納米流體傳感器的製作方法

2023-06-12 13:20:56 1

專利名稱：一種基於場效應管的納米流體傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種納米流體傳感器，特別是可以將納米通道中介質導電性 的微小變化放大為場效應管漏極電流波動的納米流體傳感器。
背景技術：
目前，納米流體傳感器採用納米孔介質連接兩個流體池單元，沿納米孔長度方向施加偏轉電壓產生離子電流，當DNA分子(異質介質)通過納米孔 的時候，由於DNA分子的堵塞將引起電流的微弱變化，此時可以通過檢測納 米通道中離子電流的變化，進而判斷通道中的DNA分子，這種檢測離子電流 的原型器件可以用於DNA測序和藥物篩選。但當溶液濃度達到1M時，所形 成的離子電流僅為納安(W)級，這需要使用法拉第籠(Faraday cage)以及其 它相當精密的測量設備才能檢測到，目前納米通道模擬生物分子自然環境的 低濃度溶液可能僅會產生皮安(;^)級的電流，這使得由單分子本身產生的電 流更加難以檢測。發明內容為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種可以將介質導電性的 微小變化放大為場效應管漏極電流的波動，靈敏度高的基於場效應管的納米 流體傳感器。本發明包括場效應管柵極，在場效應管柵極上設置納米通道，在納米通 道的兩側分別連接左右微米通道，由微米通道中介質、納米通道中介質和正 負電極組成柵極控制迴路；所述柵極控制迴路的電阻由納米通道中介質的電 阻i 和兩個微米通道中介質的電阻及,、A串聯組成。本發明的柵極電壓由納米通道中介質的導電性控制。本發明將納米通道 中介質導電性的微小變化放大為效應管漏極電流的波動。本發明採用上述結構，在場效應管柵極上分別加正負電壓，施加正電壓 的一極稱為源極，施加負電壓的一極稱為漏極，場效應管的控制電壓——柵 極電壓由柵極控制迴路中的局部電勢控制。當異質介質由微米通道進入納米 通道時，對微米通道中介質的電阻的改變很小，而對納米通道中介質的電阻 影響較大，由此引起柵極控制迴路中電勢分布的改變，從而改變場效應管的 柵極電壓，此時場效應管的漏極電流產生波動。因此，通過檢測場效應管的 漏極電流的波動可以檢測到納米通道中介質導電性的微小變化。本發明具有以下有益效果基於場效應管的納米流體傳感器，通過檢測 漏極電流的變化代替直接檢測納米通道中介質電流的微小變化，能夠精確測 定納米通道中介質導電性的變化。基於場效應管的放大原理，靈敏度將大大 提高。實現了納米流體傳感器的廣泛應用，大大節約了檢測的成本。


圖1是本發明的原理示意主視圖。 圖2是圖1的俯視圖。
具體實施方式
在圖中，1、納米通道，2、源極，3、漏極，4、左微米通道，5、場效應 管柵極，6、右微米通道，7、 5/02絕緣層，8、高慘雜N+型區或高摻雜P+型 區，9、 P型薄矽片襯底或N型薄矽片襯底。如圖1所示，在場效應管柵極5上設置一個納米通道1和左微米通道4、 右微米通道6，左微米通道4、右微米通道6分別連接在納米通道1的兩端， 在場效應管柵極5上分別加正負電極構成柵極控制迴路；所述場效應管柵極5 控制迴路的電阻由納米通道1中介質的電阻i 和左微米通道4、右微米通道6 中介質的電阻^、 A串聯組成。納米通道l中介質的電阻/ 由5/02絕緣層7的 表面電荷密度決定，場效應管柵極5的電壓由柵極控制迴路中的局部電勢控 制。在圖2中，當異質介質由左微米通道4或右微米通道6進入納米通道1 時，對左微米通道4和右微米通道6中介質電阻改變很小，而對納米通道1 中介質電阻影響較大。因此當異質介質由左微米通道4或右微米通道6進入 納米通道1時會引起場效應管柵極5電勢的改變，從而引起漏極3電流的波 動。通過檢測漏極3電流的波動，就可檢測到納米通道1中介質導電性的微 小變化。在圖1可以看到，在S/"絕緣層7的一側連接P型薄矽片襯底9或N型 薄矽片襯底9。絕緣珊場效應管的基本模式包括NPN結和PNP結兩種，即在 P型薄矽片襯底9上通過離子注入兩個高摻雜N+型區8，形成NPN結；或者 是在N型薄矽片襯底9上通過離子注入兩個高摻雜P+型區8，形成PNP結。本發明擬採用集成場效應管和納米流體通道來實現對納米通道中介質導 電性的檢測。在場效應管柵極5上設置一個納米通道1和左微米通道4、右微 米通道6，左微米通道4、右微米通道6分別連接在納米通道1的兩端，在場 效應管柵極5上分別加正負電壓構成柵極控制迴路。納米通道1中介質的電 阻i 和左微米通道4、右微米通道6中介質的電阻i ,、 ^串聯組成柵極控制回 路的電阻。在場效應管柵極5上分別加正負電壓，構成柵極控制迴路，柵極 電壓由微米通道和納米通道中局部電勢控制。當通道內緩衝溶液濃度為lmM 時，納米通道l的電阻由&^絕緣層7的表面電荷密度決定。實驗測試表明， 長度5/zw、直徑20"m的納米通道1中介質電阻大約在10 100xl(P歐姆的量級， 作為對比，柵氧化層電阻率的最小值為10"o/^.cm，對於20"附寬、5戶長的柵 氧化層來講，估算的柵氧化層電阻仍在1017歐姆量級，因此微米通道和納米通 道中介質電阻至少比柵氧化層電阻低三個數量級。通道內的電勢分布將決定 場效應管的柵電勢。當異質介質分別由左微米通道4、右微米通道6進入納米 通道l時，對左微米通道4、右微米通道6中介質的電阻改變很小，而對納米 通道1中介質電阻影響較大，從而引起微米通道和納米通道中電勢分布的改 變，這個變化導致柵極電壓的變化。因此，納米通道1中介質導電性的微小 的變化放大為漏極3電流的變化。基於場效應管的放大原理，通過檢測漏極3 電流代替直接檢測納米通道1中介質電流的變化，傳感器的靈敏度將大大提 高。譬如用來檢測納米通道1中的生物大分子，通過檢測漏極3電流代替直 接檢測納米通道1中由離子自身形成的離子電流，能夠精確測定佔位比在
5/100000生物分子，遠高於基於天然"-溶血素的單分子傳感器解析度，目前 基於天然"-溶血素的單分子傳感器所能測定生物分子的佔位比在1/100至 5/1000。因此，相對於傳統的"基於檢測離子電流的傳感器"只能檢測到濃度 較大溶液的電流變化的信號且不能研究不同溶液濃度對生物分子遷移率的影 響，本發明用來檢測納米流體生物大分子時，可研究不同溶液濃度下，生物 分子在通過納米通道時對基準電流的調製規律，從而可精確測定生物分子的 遷移率、抗原一抗體的結合反應及實現對DNA片斷長度的精確測定。
權利要求
1.一種基於場效應管的納米流體傳感器，包括場效應管柵極，其特徵是在場效應管柵極(5)上設置納米通道(1)，在納米通道(1)的兩側分別連接左右微米通道(4)、(6)，由微米通道中介質、納米通道中介質和正負電極組成柵極控制迴路；所述柵極控制迴路的電阻由納米通道(1)中介質的電阻R和兩個微米通道(4)、(6)中介質的電阻R1、R2串聯組成。
2. 根據權利要求1所述的基於場效應管的納米流體傳感器，其特徵是 柵極電壓由納米通道中介質的導電性控制。
3. 根據權利要求1所述的基於場效應管的納米流體傳感器，其特徵是-納米通道中介質導電性的微小變化放大為效應管漏極電流的波動。
全文摘要
一種基於場效應管的納米流體傳感器，涉及一種納米流體傳感器，特別是可以將納米通道中介質導電性的微小變化放大為場效應管漏極電流波動的納米流體傳感器。本發明包括場效應管柵極，在場效應管柵極上設置納米通道，在納米通道的兩側分別連接左右微米通道，由微米通道中介質、納米通道中介質和正負電極組成柵極控制迴路；所述柵極控制迴路的電阻由納米通道中介質的電阻R和兩個微米通道中介質的電阻R1、R2串聯組成。本發明目的是提供了一種可以將介質導電性的微小變化放大為場效應管漏極電流的波動，靈敏度高的基於場效應管的納米流體傳感器。
文檔編號C12Q1/68GK101130750SQ20071002561
公開日2008年2月27日 申請日期2007年8月8日 優先權日2007年8月8日
發明者武 仲, 楊決寬, 王玉娟, 葛豔豔, 敏 陳, 陳雲飛 申請人:東南大學