用于场效应晶体管的脉冲驱动的电容检测制造技术

用于检测样品中离子的系统和方法。在一个实施方案中，系统包括场效应晶体管感测器和电子控制器。场效应晶体管感测器与样品接触，并包括第一电极和第二电极。电子控制器耦合到场效应晶体管感测器。电子控制器构造成将脉冲波激励信号施加到第一电极。电子控制器还构造成从第二电极接收响应信号。电子控制器进一步构造成基于响应信号测定场效应晶体管感测器的电特性。电子控制器还构造成基于场效应晶体管感测器的电特性测定样品中离子的量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于场效应晶体管的脉冲驱动的电容检测相关申请的交叉引用本申请要求2017年10月27日提交的标题为“PULSE-DRIVENCAPACITIVEDETECTIONFORFIELD-EFFECTTRANSISTORS(FET)”(用于场效应晶体管(FET)的脉冲驱动的电容检测”的印度专利申请号201721038194的优先权，其内容全文通过引用结合到本文中。关于联邦资助的研究或研发的声明本专利技术根据美国国家科学基金会(theNationalScienceFoundation)授予的赠予号IIP-1434059在政府支持下产生。美国政府拥有本专利技术的某些权利。背景最近，铅污染和相关的健康危害引起了严重的全球性问题。每天通过饮用水直接摄入铅会影响中枢神经系统以及造血、肝和肾系统。由于供水系统的不良状况(在输水期间管道中的铅泄漏)，在美国密歇根州弗林特市(Flint,Michigan,USA)生活的人们的血液中发现铅的含量惊人地增加。由于过程长、装备庞大且需要专业操作人员，常规检验，例如电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)、原子吸收光谱法(AAS)和原子发射光谱法(AES)，非常昂贵。使用伏安法的电化学溶出分析也已成功地用于以高再现性来选择性测定痕量水平的各种金属离子。然而，它受到以下限制：利用适当清洁的工作电极维护，由于参比电极老化导致还原/氧化电位峰位置漂移，以及背景电流不稳定性。同样，实际水中高浓度常见金属离子的存在会显著影响结果。因此，非常需要快速、便携、低成本自动检测水中的铅离子。概述本公开提供一种用于检测样品中离子的系统。在一个实施方案中，系统包括场效应晶体管感测器和电子控制器。场效应晶体管感测器与样品接触，并包括第一电极和第二电极。电子控制器耦合到场效应晶体管感测器。电子控制器构造成将脉冲波激励信号施加到第一电极。电子控制器还构造成从第二电极接收响应信号。电子控制器进一步构造成基于响应信号测定场效应晶体管感测器的电特性。电子控制器还构造成部分基于场效应晶体管感测器的电特性测定样品中离子的量。本公开还提供一种用于检测样品中离子的方法。在一个实施方案中，方法包括使场效应晶体管感测器与样品接触。方法还包括用电子控制器将脉冲波激励信号施加到场效应晶体管感测器的第一电极。方法进一步包括电子控制器从场效应晶体管感测器的第二电极接收响应信号。方法还包括用电子控制器基于响应信号测定场效应晶体管感测器的电特性。方法还包括用电子控制器基于场效应晶体管感测器的电特性测定样品中离子的量。本公开还提供一种脉冲驱动的电容测定系统，该系统包括场效应晶体管(FET)，以测定液体和气体溶液中小浓度的溶质。通常，将通道视为化学电阻器，通过电阻/电流测定转换来自基于FET的感测器装置的信号。通过考虑详述和附图，本公开的其它方面将变得显而易见。附图简述图1为根据一些实施方案的用于检测离子的检测系统的图解。图2为根据一些实施方案在图1的检测系统中包括的电子控制器的图解。图3为根据一些实施方案用于检测样品中离子的方法的流程图。图4为根据一些实施方案的场效应晶体管感测器的图解。图5A为根据一些实施方案具有背栅极电位的场效应晶体管测定感测器的图解。图5B为根据一些实施方案具有零背栅极电位的脉冲测定电路的图解。图5C为在去离子水(DI水)和Pb2+溶液存在下的方脉冲波及其瞬态波形的曲线图。图5D为归一化脉冲波的曲线图。图5E为在水存在下和在干燥条件下波形再现性的曲线图。图6为根据一些实施方案基于微控制器的脉冲控制便携式电容测定系统的图解。图7A为在低放大倍率下桥接叉指电极的经还原氧化石墨烯片的图像。图7B为在高放大倍率下桥接叉指电极的经还原氧化石墨烯片的图像。图7C为电极上的单层氧化石墨烯通道的图像。图7D为氧化石墨烯纳米片的实例拉曼光谱的曲线图。图7E为在氧化铝层的表面上溅射的金纳米颗粒的图像。图7F为实例场效应晶体管感测器的IV特性的曲线图。图8A为根据一些实施方案的脉冲产生和测定电路的图解。图8B为根据一些实施方案具有集成微感测器芯片的封装便携式仪表的图解。图9A为根据一些实施方案在去离子水中和在干燥条件下可逆性检验的曲线图。图9B为根据一些实施方案在去离子水中感测器的稳定性检验的曲线图。图9C为根据一些实施方案利用基于微控制器的测定系统的实时Pb2+检验结果的曲线图。图10A为根据一些实施方案用于背景和稳定性检验的去离子水中FET感测器的实时电阻测定数据的曲线图。图10B为关于铅离子具有双向响应的电阻瞬变的曲线图。图10C为关于铅离子具有双向响应的电阻瞬变的曲线图。图11A为根据一些实施方案关于实例校准的响应%-浓度的曲线图。图11B为根据一些实施方案关于Hg2+和混合离子测定的选择性检验的实时瞬态数据的曲线图。图12A为常见金属离子的实时测定电容瞬变的曲线图。图12B为重金属离子与混合离子的实时测定电容瞬变的曲线图。图13A为关于Pb2+以及其它单独和混合金属阳离子的响应的曲线图。图13B为实际水样品的检验结果的曲线图。图13C为不同实际水样品的实时电容瞬变的曲线图。图13D为根据一些实施方案具有来自ICP测定的标准值的来自感测器的预测铅离子浓度的曲线图。图14A为根据一些实施方案在Pb2+溶液中具有附接探针的绝缘GFET结构的模型的图解。图14B为根据一些实施方案的场效应晶体管结构的等效电路模型的图解。详述在详细说明本公开的任何实施方案之前，应了解，本公开在其应用中不限于在以下描述中阐明或以下附图中所示的构造细节和组件布置。本公开能够有其它实施方案并以各种方式实践或进行。已发现，石墨烯作为代表性2D材料，由于其独特的单原子层结构、高比表面积、大的信/噪比、极佳的机械强度和小尺寸，对基于FET的感测器应用有前景。液相中的化学剥离可从块状石墨大规模生产单原子层厚度的超细纳米片。石墨烯的高表面积可用各种配体官能化，以吸引用于感测应用的金属离子、生物分子和气体物质。可用微图案化、蛋白官能化的经还原氧化石墨烯(rGO)薄膜作为感测半导体通道，以实现铅离子(Pb2+)实时检测。也已可用自组装方法构建用于Pb2+监测的rGO感测平台。通常，将通道视为化学电阻器，通过电阻/电流测定转换来自这种基于FET的感测器装置的信号。一个潜在问题为跨超薄2D纳米材料的连续电压会产生热量，并改变本征电导率，这导致长的稳定化时间和信号漂移。这种具有连续漂移的不饱和基线与快速评估不相容，并且在被分析物存在下干扰响应，从而增加测定误差。另外，对被分析物的电阻/电流响应%(即，感测事件所导致的电阻或电流的变化百分数)总是相对较低，这在实际中也可能导致显著的误差。响应%的实例在下表1中示出。表1-基于电容的感测性能比较为对目标化学物质和其它化学本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于检测样品中离子的系统，所述系统包括：/n场效应晶体管感测器，所述场效应晶体管感测器与样品接触，并包括第一电极和第二电极；和/n电子控制器，所述电子控制器耦合到场效应晶体管感测器，并构造成/n将脉冲波激励信号施加到第一电极，/n从第二电极接收响应信号，/n基于响应信号测定场效应晶体管感测器的电特性，并且/n基于场效应晶体管感测器的电特性测定样品中离子的量。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171027 IN 2017210381941.一种用于检测样品中离子的系统，所述系统包括：
场效应晶体管感测器，所述场效应晶体管感测器与样品接触，并包括第一电极和第二电极；和
电子控制器，所述电子控制器耦合到场效应晶体管感测器，并构造成
将脉冲波激励信号施加到第一电极，
从第二电极接收响应信号，
基于响应信号测定场效应晶体管感测器的电特性，并且
基于场效应晶体管感测器的电特性测定样品中离子的量。


2.权利要求1的系统，其中脉冲波激励信号为直流方波信号。


3.权利要求1的系统，其中场效应晶体管感测器的电特性为电容。


4.权利要求1的系统，其中电子控制器还构造成：
测定响应信号的电特性变化，
基于响应信号的电特性变化测定响应信号的信号特性，并且
基于响应信号的信号特性测定场效应晶体管感测器的电特性。


5.权利要求4的系统，其中响应信号的信号特性为时间常数。


6.权利要求1的系统，其中离子为铅离子。


7.权利要求1的系统，其中样品包含液体介质。


8.权利要求1的系统，其中场效应晶体管感测器还包括：
涂覆有钝化层的经还原氧化石墨烯层，
与钝化层接触的一个或多个金纳米颗粒，和
与所述一个或多个金纳米颗粒结合的至少一个探针，
其中所述一个或多个金纳米颗粒为离散的纳米颗粒。


9.权利要求8的系统，其中钝化层为氧化铝。


10.权利要求8的系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈君红，A迈蒂，隋孝禹，
申请(专利权)人：UWM研究基金会有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US