采用p‑n半导体氧化物异质结构的传感器及其使用方法技术

本文公开基于p‑n金属氧化物半导体(MOS)异质结构的传感器和系统。本文描述的传感器和系统可以包括感测元件，所述感测元件包括：第一区域，所述第一区域包括p型MOS材料(例如，NiO)；以及第二区域，所述第二区域包括n型MOS材料(例如，In

【技术实现步骤摘要】
采用p-n半导体氧化物异质结构的传感器及其使用方法相关申请的交叉引用本申请要求2015年12月2日提交的美国临时专利申请序列号62/262,067的权益，所述申请的公开内容以引用方式明确并入本文。
技术介绍
以十亿分率(ppb)水平存在于大气中的氨气主要是由各种各样的人为源产生的，如化石燃料的燃烧、肥料的使用和新陈代谢活动。由于暴露在氨气中可能引起健康效应，因此需要检测环境中的氨气。氨气也在人体中产生，并且人呼出气体中的氨气的监测可以与用于疾病诊断的若干生理条件相关联。呼吸氨气的正常生理范围是在50至2000ppb的区间中。每次人呼吸含有超过1,000种痕量挥发性有机化合物，这使得呼吸气体成为高度复杂的物质。由于所需要的ppb敏感性以及对于以明显更高浓度存在的其他气体的辨别，因此开发用于环境和人呼吸中的低水平氨气的传感器是具有挑战性的问题。
技术实现思路
本文提供基于p-n金属氧化物半导体(MOS)异质结构的传感器和系统。所述传感器和系统可以用于气体样本中氨气的检测和/或量化，所述气体样本如呼吸样本、环境样本或燃烧气体的样本。在一些情况下，本文描述的传感器和系统可以用于5000ppb或更低浓度下(例如，50ppb至2,000ppb的浓度下、50ppb至1,000ppb的浓度下或50ppb至500ppb的浓度下)的氨气的检测和/或量化。所述传感器和系统可以在其他气体(如一氧化碳和一氧化氮)存在的情况下用于氨气的检测和/或量化。在一些情况下，所述传感器和系统可以在一种或多种烃存在的情况下用于检测和/或量化氨气，所述烃如芳族烃(例如，甲苯、邻二甲苯或其组合)，脂族烃(例如，己烷、戊烷、异戊二烯、3-甲基戊烷或其组合)，功能性有机化合物(例如，丙酮、乙腈、乙酸乙酯、甲基乙烯基酮、乙醇、2-甲基呋喃、己醛、甲基丙烯醛、1-丙醇、2-丙醇或其组合)，或其组合。在某些实施方案中，所述传感器和系统可以在一种或多种烃(例如，50ppb至5ppm浓度下的一种或多种烃)存在的情况下用于检测和/或量化5000ppb或更低浓度下(例如，50ppb至2,000ppb浓度下、50ppb至1,000ppb浓度下或50ppb至500ppb浓度下)的氨气，所述烃如一种或多种芳族烃(例如，甲苯、邻二甲苯或其组合)，一种或多种脂族烃(例如，己烷、戊烷、异戊二烯、3-甲基戊烷或其组合)，一种或多种功能性有机化合物(例如，丙酮、乙腈、乙酸乙酯、甲基乙烯基酮、乙醇、2-甲基呋喃、己醛、甲基丙烯醛、1-丙醇、2-丙醇或其组合)，或其组合)。用于感测气体样本中的氨气的装置可以包括感测元件，所述感测元件包括：第一区域，所述第一区域包括p型金属氧化物半导体(MOS)材料；以及第二区域，所述第二区域包括n型MOS材料。所述第一区域邻近并且接触所述第二区域(例如，在形成于所述第一区域与第二区域之间的界面上的扩散p-n异质结处)。所述p型MOS材料可以包括NiO。在某些实施方案中，所述p型MOS材料可以由NiO组成。所述n型MOS材料可以包括In2O3。在某些实施方案中，所述n型MOS材料可以由In2O3组成。在其他实施方案中，所述p型MOS材料可以选自Co3O4、Cr2O3、Mn3O4或其组合；以及所述n型MOS材料选自ZnO、WO3、SnO2、TiO2、Fe2O3或其组合。在其他实施方案中，所述p型MOS材料不包括NiO并且所述n型MOS材料不包括In2O3。所述传感器装置还可以包括在所述第一区域内建立并且间隔开的一个或多个电极以及在所述第二区域内建立并且间隔开的一个或多个电极。在一些实施方案中，所述传感器装置可以包括建立在所述第一区域内的第一电极、建立在所述第二区域内的第二电极以及使所述第一电极和第二电极互连的布线。沿着所述布线的测量电阻可以指示与所述感测元件面接的气体中的NH3的存在。在一些实施方案中，所述第一电极相对于所述第一区域的位置以及所述第二电极相对于所述第二区域的位置被选择来使得所述测量电阻不受除了氨气之外的气体(例如，干扰气体，如CO、NO、烃或其组合)的存在的影响，所述气体也存在于与所述感测元件面接的所述气体样本中。在一些情况下，所述第一电极相对于所述第一区域的位置以及所述第二电极相对于所述第二区域的位置被选择来使得所述测量电阻不受一种或多种烃的存在的影响，所述烃如一种或多种芳族烃(例如，甲苯、邻二甲苯或其组合)，一种或多种脂族烃(例如，己烷、戊烷、异戊二烯、3-甲基戊烷或其组合)，一种或多种功能性有机化合物(例如，丙酮、乙腈、乙酸乙酯、甲基乙烯基酮、乙醇、2-甲基呋喃、己醛、甲基丙烯醛、1-丙醇、2-丙醇或其组合)，或其组合。在某些实施方案中，所述第一电极相对于所述第一区域的位置以及所述第二电极相对于所述第二区域的位置被选择来使得所述测量电阻不受50ppb至5ppm的一种或多种烃的存在的影响，所述烃如一种或多种芳族烃(例如，甲苯、邻二甲苯或其组合)，一种或多种脂族烃(例如，己烷、戊烷、异戊二烯、3-甲基戊烷或其组合)，一种或多种功能性有机化合物(例如，丙酮、乙腈、乙酸乙酯、甲基乙烯基酮、乙醇、2-甲基呋喃、己醛、甲基丙烯醛、1-丙醇、2-丙醇或其组合)，或其组合。在一些实施方案中，所述感测元件限定从第一侧到相反的第二侧的长度，所述第一侧由所述第一区域中与所述第二区域相反的边缘来限定，所述第二侧由所述第二区域中与所述第一区域相反的边缘来限定，并且，所述第一电极相对于所述第一区域的位置以及所述第二电极相对于所述第二区域的位置被选择来使得所述布线在所述长度方向上包含所述p型MOS材料和所述n型MOS材料的组合量，所述组合量被预先确定以来产生指示与所述感测元件面接的气体样本中NH3的存在的测量电阻。所述预先确定的组合量可以被选择来使得所述测量电阻不受除了氨气之外的气体(例如，干扰气体，如CO、NO、烃或其组合)的存在的影响，所述气体也存在于与所述感测元件面接的所述气体样本中。在一些情况下，所述预先确定的组合量可以被选择来使得所述测量电阻不受一种或多种烃的存在的影响，所述烃如一种或多种芳族烃(例如，甲苯、邻二甲苯或其组合)，一种或多种脂族烃(例如，己烷、戊烷、异戊二烯、3-甲基戊烷或其组合)，一种或多种功能性有机化合物(例如，丙酮、乙腈、乙酸乙酯、甲基乙烯基酮、乙醇、2-甲基呋喃、己醛、甲基丙烯醛、1-丙醇、2-丙醇或其组合)，或其组合。在某些实施方案中，所述预先确定的组合量可以被选择来使得所述测量电阻不受50ppb至5ppm的一种或多种烃的存在的影响，所述烃如一种或多种芳族烃(例如，甲苯、邻二甲苯或其组合)，一种或多种脂族烃(例如，己烷、戊烷、异戊二烯、3-甲基戊烷或其组合)，一种或多种功能性有机化合物(例如，丙酮、乙腈、乙酸乙酯、甲基乙烯基酮、乙醇、2-甲基呋喃、己醛、甲基丙烯醛、1-丙醇、2-丙醇或其组合)，或其组合。在一些实施方案中，所述传感器装置还可以包括建立在所述第一区域内的第三电极、建立在所述第二区域内的第四电极以及使所述第三电极和第四电极互连的布线。与沿着使所述第一电极和第二电极互连的所述布线的所述测量电阻相比，沿着使所述第三电极和第四电极互连的所述布线的测量电阻指示与所述感测元件面接的气体中NH3的浓度。在一些实施方案中，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于感测气体样本中的NH

【技术特征摘要】
2015.12.02 US 62/262,0671.一种用于感测气体样本中的NH3的传感器装置，所述传感器装置包括感测元件，所述感测元件包括：第一区域，所述第一区域包括p型金属氧化物半导体(MOS)材料，所述p型金属氧化物半导体(MOS)材料包括NiO；以及第二区域，所述第二区域包括n型MOS材料，所述n型MOS材料包括In2O3；其中所述第一区域邻近并且接触所述第二区域。2.如权利要求1所述的传感器装置，其中所述p型MOS材料由NiO组成。3.如权利要求1或2所述的传感器装置，其中所述n型MOS材料由In2O3组成。4.如权利要求1至3中任一项所述的传感器装置，其中所述传感器装置还包括：建立在所述第一区域内的第一电极；建立在所述第二区域内的第二电极；以及使所述第一电极和所述第二电极互连的布线；其中沿着所述布线的测量电阻指示与所述感测元件面接的气体中的NH3的存在。5.如权利要求4所述的传感器装置，其还包括平台组件，所述平台组件将所述第一电极和所述第二电极保持为选择性接触所述感测元件的电极引线阵列的一部分。6.如权利要求5所述的传感器装置，其中所述平台组件被配置来选择性地改变所述第一区域内的所述第一电极的接触位置并且选择性地改变所述第二区域内的所述第二电极的接触位置。7.如权利要求5或6所述的传感器装置，其中所述平台组件被配置来选择性地改变所述第一电极与所述第二电极之间的距离。8.如权利要求4至7中任一项所述的传感器装置，其中所述第一电极相对于所述第一区域的位置和所述第二电极相对于所述第二区域的位置被选择来使得所述测量电阻不受与所述感测元件面接的气体样本中CO、NO或其组合的存在的影响。9.如权利要求4至7中任一项所述的传感器装置，其中所述感测元件限定从第一侧到相反的第二侧的长度，所述第一侧由所述第一区域中与所述第二区域相反的边缘来限定，所述第二侧由所述第二区域中与所述第一区域相反的边缘来限定，并且其中所述第一电极相对于所述第一区域的位置和所述第二电极相对于所述第二区域的位置被选择来使得所述布线在所述长度方向上包含所述p型MOS材料和所述n型MOS材料的组合量，所述组合量被预先确定以来产生测量电阻，所述测量电阻指示与所述感测元件面接的气体样本中的NH3的存在。10.如权利要求9所述的传感器装置，其中所述预先确定的组合量被选择来使得所述测量电阻不受与所述感测元件面接的所述气体样本中CO、NO或其组合的存在的影响。11.如权利要求1至10中任一项所述的传感器装置，其还包括：第三电极，所述第三电极建立在所述第一区域内与所述第一电极分离的位置处；第四电极，所述第四电极建立在所述第二区域内与所述第二电极分离的位置处；以及使所述第三电极和所述第四电极互连的布线；其中与沿着使所述第一电极和所述第二电极互连的所述布线的所述测量电阻相比，沿着使所述第三电极和所述第四电极互连的所述布线的测量电阻指示与所述感测元件面接的气体中的NH3的浓度。12.如权利要求1至11中任一项所述的传感器装置，其中所述p型MOS材料在扩散的p-n结处接触所述n型MOS材料，所述扩散的p-n结形成于所述第一区域与所述第二区域之间的界面上。13.一种用于感测气体样本中的NH3的传感器系统，所述系统包括传感器装置，所述传感器装置包括：感测元件，所述感测元件包括：第一区域，所述第一区域包括p型MOS材料，所述p型MOS材料包括NiO；以及第二区域，所述第二区域包括n型MOS材料，所述n型MOS材料包括In2O3；其中所述第一区域邻近并且接触所述第二区域，建立在所述第一区域内的第一电极；建立在所述第二区域内的第二电极；以及数据库，所述数据库将沿着所述第一电极与所述第二电极之间的布线的测量电阻和在与所述感测元件面接的气体样本中NH3的存在相关联。14.如权利要求13所述的系统，其中所述p型MOS材料由NiO组成。15.如权利要求13或14所述的系统，其中所述n型MOS材料由In2O3组成。16.如权利要求13至15中任一项所述的系统，其中所述数据库还基于所述测量电阻来关联所述气体样本中NH3的浓度的估算值。17.如权利要求13至16中任一项所述的系统，其中所述第一电极相对于所述第一区域的位置和所述第二电极相对于所述第二区域的位置被选择来使得所述测量电阻不受所述气体样本中CO、NO或其组合的存在的影响。18.如权利要求13至17中任一项所述的系统，其中所述数据库包括校准曲线。19.如权利要求13至18中任一项所述的系统，其还包括控制器，所述控制器维护所述数据库并且与所述布线电子地相关联。20.如权利要求19所述的系统，其中所述控制器包括存储器，在所述存储器上存储有：所述数据库；用于接收在所述气体样本存在的情况下所述传感器装置产生的多个测量电阻值的指令；以及用以基于所述多个测量电阻来估算所述气体样本中的NH3的浓度的指令。21.如权利要求20所述的系统，其中所述多个测量电阻中的第一个分别对应于所述第一区域和所述第二区域中的对应电极之间的第一距离，并且所述多个测量电阻中的第二个分别对应于所述第一区域和所述第二区域中的对应电极之间的第二距离，所述第一距离不同于所述第二距离。22.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·K·杜塔，孙晨虎，
申请(专利权)人：俄亥俄州创新基金会，
类型：发明
国别省市：美国,US