(57)【要約】ガス分析装置は、導電性チャネルに基づく有機半導体（６）とゲート（２）との間にキャビティ（７）を有するトランジスタを有する。動作中、キャビティ（７）に案内されたガスサンプルからの成分は、有機半導体（６）の露出された吸収感応性表面部分において吸収されることが可能である。検出器（１３）は、露出表面部分において吸収された成分によりもたらされるトランジスタの閾値電圧における変化を検出する。この変化の検出に応じて、検出器は、サンプルにおける成分の濃度を表す測定信号を生成する。
2009501927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート及び半導体導電性チャネルを有するトランジスタであって、使用するときに、キャビティに案内された流体サンプルからの成分が前記半導体の露出表面部分に吸収されることが可能であるように、前記ゲートと前記半導体導電性チャネルとの間に前記キャビティを規定する、トランジスタ；並びに
前記半導体の前記露出表面において吸収され、それに応じて、前記サンプルにおける前記成分の濃度を表す測定信号を生成する、前記成分によりもたらされる前記トランジスタの特性における変化を検出するための検出器；
を有する流体分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体分析装置であって、前記半導体導電性チャネルは有機半導体である、流体分析装置。
【請求項３】
請求項２に記載の流体分析装置であって、前記有機半導体はポリアリルアミンを有する、流体分析装置。
【請求項４】
請求項１に記載の流体分析装置であって、前記トランジスタは、前記ゲートの表面において形成された絶縁層を更に有し、前記絶縁層は前記ゲートの表面の一部を露出したままにし、前記ゲートの前記露出表面部分に対向する前記半導体の前記露出表面部分を有するキャビティを前記ゲート、前記半導体導電性チャネル及び前記絶縁層が共に実質的に規定する、流体分析装置。
【請求項５】
請求項４に記載の流体分析装置であって、前記トランジスタは、前記絶縁体層の第１部分と前記半導体との間に形成されたソース、及び前記絶縁体層の第２部分と前記半導体との間に形成されたドレインを更に有する、流体分析装置。
【請求項６】
請求項１に記載の流体分析装置であって、前記トランジスタは、前記半導体の上側表面において形成された保護層を更に有する、流体分析装置。
【請求項７】
請求項１に記載の流体分析装置であって、前記トランジスタ特性は閾値電圧である、流体分析装置。
【請求項８】
請求項１に記載の流体分析装置であって、前記流体サンプルは呼気のサンプルであり、前記分析装置は、前記呼気のサンプルを前記キャビティに供給するためのマウスピースを更に有する、流体分析装置。
【請求項９】
請求項１に記載の流体分析装置であって、前記成分は、一酸化窒素、アセトン、エチルアルコール、一酸化炭素及びイソプレンのうちの一である、流体分析装置。
【請求項１０】
流体サンプルを分析する方法であって：
トランジスタのゲートと、前記トランジスタの導電性チャネルを構成する半導体層との間のトランジスタにおいて規定されるキャビティに流体サンプルを受け入れる段階であって、前記流体サンプルの成分は前記半導体層の露出表面部分において吸収されることが可能である、段階；及び
前記露出表面部分において吸収される前記成分によりもたらされ、それにより、前記流体サンプルにおける前記成分の濃度を表す信号を生成する、トランジスタの特性における変化を検出する段階；
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体分析装置、特に、トランジスタを有する流体分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々のアプリケーションのために開発された多くの種類のトランジスタ装置が存在する。一部の既知のトランジスタは、環境の空気又は吐息における揮発性成分の濃度を検出及び測定するために用いられてきた。そのようなトランジスタの１つを有するセンサについては、文献“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｎｏｉｓｅｓ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ＪＷ  Ｇａｒｄｎｅｒ，ＰＮ  Ｂａｒｔｌｅｔｔ，Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，ｐｐ１０１，１９９９”に記載されている。その文献に記載されているセンサは、揮発性成分がトランジスタのゲートに吸収された後、そのゲートの仕事関数における変化を測定することにより揮発性成分を検出するものである。そのトランジスタは有機シリコンに基づく物質を組み込み、その物質自体は、揮発性成分の存在に対して感応しないものである。それらのセンサは限定された感度を有し、トランジスタのゲートは、構成するには困難であり且つ高価である浮遊金属ゲートである。文献“Ｈａｎｄｂｏｋｋ  ｏｆ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，ｅｄ．ＴＡ  Ｓｋｏｔｈｅｉｍ，ＲＬ  Ｅｌｓｅｎｂａｕｍｅｒ，ＪＲ  Ｒｅｙｎｏｌｄｓ，Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，ｐｐ．９６３，（１９９８）”においては、ガスを検知するために有機半導体導体を用いるトランジスタについて記載されている。そのような有機半導体の電気的性質は、ガスがそれらの有機半導体に吸収されるにつれて変化し、ガスが検出されることを可能にする。ドレインとソースとの間のチャネルは有機半導体を有し、そのチャネルの一の面はゲート絶縁体との界面を構成する。その逆の面においては、有機半導体が空気との界面を構成する。半導体／空気界面において有機半導体にガスが吸収されるにつれて、半導体の電気的性質の変化が起こり、吸収物質が検知されることを可能にする。この構成を有するトランジスタを有するガスセンサは、尚も比較的低感度である。
【０００３】
病気を検出する又は制御するために用いられる吐息における複数のバイオマーカーが存在する。吐息分析は、患者の健康をモニタするように家庭で患者自身が用いることが可能である非侵襲的な診断又は医療方法である。患者は、必要に応じて、適切な呼気分析器を備えることができる。呼気分析のうちで最も広く行き渡ったものの１つは、吐息中のＮＯの存在を検出するものであり、呼気中のＮＯの濃度は、患者の喘息の重症度に関連付けられることが可能である。
【０００４】
比較的簡単で、安価で、且つ高感度である流体センサに対する要請が存在している。
【非特許文献１】Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｎｏｉｓｅｓ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ＪＷ  Ｇａｒｄｎｅｒ，ＰＮ  Ｂａｒｔｌｅｔｔ，Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，ｐｐ１０１，１９９９
【非特許文献２】Ｈａｎｄｂｏｋｋ  ｏｆ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，ｅｄ．ＴＡ  Ｓｋｏｔｈｅｉｍ，ＲＬ  Ｅｌｓｅｎｂａｕｍｅｒ，ＪＲ  Ｒｅｙｎｏｌｄｓ，Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，ｐｐ．９６３，（１９９８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、上記の課題を軽減することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にしたがって、ゲート及び半導体導電性チャネルを有するトランジスタであって、ゲートと、キャビティに案内された流体サンプルからの成分が半導体の露出表面部分に吸収されることが可能であるような半導体導電性チャネルとの間のキャビティを規定する、トランジスタ；及び、半導体の露出表面に吸収されている成分によりもたされる変化であって、それに応じてサンプルにおける成分の濃度を示す測定信号を生成する、変化を検出するための検出器；を有する流体分析装置を提供する。
【０００７】
例示としての実施形態においては、分析装置はガス分析装置であり、半導体導電性チャネルは、バイオマーカーの吸収に対して感応する有機半導体である。
【０００８】
例示としての実施形態においては、半導体の特性は閾値電圧である。
【０００９】
また、流体サンプルを分析する方法であって、トランジスタの導電性チャネルを構成する半導体層とトランジスタのゲートとの間の、トランジスタにおいて規定されているキャビティに流体サンプルを受け入れる段階であって、それ故、その流体の成分が半導体層の露出表面部分において吸収される、段階；露出表面部分において吸収されている成分によりもたらされるトランジスタの特性における変化を検出し、それに応じて、サンプルにおける成分の濃度を表す信号を生成する、段階；を有する、方法を提供する。
【００１０】
本発明の実施形態について、以下、添付図を参照しながら、例示として詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ここで、図１を参照するに、図１は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１を示している。ＦＥＴ１は、高濃度ドーピングシリコンウェーハを典型的に有するゲート２を有する。酸化珪素であることが可能である絶縁物質３は、第１絶縁体領域３ａを構成するゲート２の表面の第１部分２ａ及び第２絶縁体領域３ｂを構成するゲートの表面の第２部分を覆い、それ故、絶縁体材料におけるゲートは、ゲート２の表面の露出された第２部分２ｃを横切って延びている。一部の実施形態においては、金属層、典型的には、金が、電気的接触を構成するように第３部分２ｃにおいて堆積されている。
【００１２】
絶縁物質が酸化珪素を有する場合、絶縁層３は、１００乃至３００ｎｍの範囲内の、好適には、２００ｎｍの厚さに堆積されることが可能である。酸化珪素を有する絶縁体層３は熱的に成長されることが可能であり、フォトリソグラフィ及びエッチングによりギャップが生成される。
【００１３】
代替の実施形態においては、絶縁体物質３は、有機ポリマー又はフォトラッカを有することが可能である。絶縁体層３が有機ポリマーを有する場合、第１領域３ａと第２領域３ｂとの間のギャップは成形により形成され、絶縁体層３は数ミクロンの高さに堆積されることが可能である。絶縁体層がフォトラッカを有する場合、そのギャップは、紫外線露光及び露光領域の現像により形成される。
【００１４】
典型的には、金であるソース電極４は、絶縁体材料の第１領域３ａ及びドレイン電極５において堆積され、また、典型的には、金は、絶縁体物質の第２領域３ｂにおいて堆積される。ソース４電極及びドレイン５電極は、典型的な厚さ、約２０ｎｍを有する。
【００１５】
半導体物質６の層、好適な実施形態においては、有機半導体が、ゲート２の表面の露出された第３部分２ｃを橋渡しするように、ソース電極４からドレイン電極５まで延びている。それ故、ゲート２、絶縁体領域３ａ及び３ｂ、ソース電極４、ドレイン電極５及び半導体層６は、ゲート２の表面の露出された第３部分２ｃが半導体層６の露出表面領域６ａと対向するキャビティ７を規定する。最終的に、フォイルの保護層８（典型的には、ポリイミド、ポリエステル、ポリカーボネート等）が有機半導体層６を覆う。
【００１６】
当業者が理解できるように、ＦＥＴ１は、既知の半導体装置製造技術、及び正常な空気又は乾燥窒素等の希ガスで満たされたキャビティ７を用いて構築される。
【００１７】
実際には、ガスキャビティ７は、ゲート２と半導体層６との間において誘電性である。動作中、ＦＥＴの導電性チャネルは、半導体層６及びキャビティ７の界面の近傍のドレイン５とソース４との間の半導体層６を介して動作する。
【００１８】
半導体層６とキャビティ７との間のこの界面は、トランジスタが有効なガスセンサとして機能することを可能にする。清浄な空気のサンプルが、キャビティ７の誘電特性及びＦＥＴ１の電気特性を変えることなく、空気又は希ガスキャビティ７に案内されることが可能である。しかしながら、キャビティ７に案内された空気又は吐息における揮発性化学種は、キャビティ７の誘電特性及びＯＦＥＴ１の電気特性に影響を与える可能性がある。特に、そのような揮発性化学種は、半導体層６の露出表面領域６ａに吸収され、その領域において、それらの化学種はＦＥＴ導電性チャネルに近づき、半導体層と強く相互作用する。その相互作用は、トランジスタの電気特性、例えば、閾値電圧に影響する相互作用である。
【００１９】
適切に較正されたＦＥＴ１については、特定の成分、例えば、半導体／空気界面において吸収されたＮＯによりもたらされる閾値電圧における変化の測定は、キャビティ７におけるその化学種の分圧（又は、濃度）を示す。半導体層６を有する物質の選択は、ＯＦＥＴ１が検出するようにデザインされている特定のガス成分に依存するものである。例えば、ポリアリルアミンに基づく半導体を有する特定の有機半導体は、ＮＯの吸収に対して高感度を有し、ＮＯと反応する。そのような有機半導体は、ＮＯ検出装置で用いられるＯＦＥＴ１における半導体層６として用いられるには理想的である。良好な感度のために、特に、有機半導体層６は、５ｎｍ乃至５ｍｍの範囲内の、特に好適には、３０乃至１００ｎｍの範囲内の厚さを有する。半導体層６について適切な物質を用いることにより、本発明の実施形態は、ＮＯばかりでなく他のバイオマーカー、例えば、アセトン、エチルアルコール、一酸化炭素及びイソプレンも検知するように用いられることが可能である。
【００２０】
有機半導体層６を有する有機ＦＥＴ１は、標準的な技術を用いて、ゲート２、絶縁体層３、ソース電極４及びドレイン電極５を先ず、形成することにより容易に構築されることが可能である。ＦＥＴ１を完成させるように、ポリマーフォイル８が、有機半導体層６、例えば、ポリアリルアミンによりコーティングされることが可能である。ポリマーフォイル８及び有機半導体６のフレキシブルな二重層が、その場合、図１に示すように、有機半導体層６がソース電極４及びドレイン電極５と接するようにされるように、位置付けられることが可能である。
【００２１】
好適な実施形態においては、半導体層６の吸収表面は、粗さＲａが５０ｎｍに過ぎない程度に、特には、表面粗さＲａが５ｎｍである程度に比較的平坦である。
【００２２】
本発明を実施するシステムは、空気又は吐息における揮発性成分の比較的低濃度の存在を検出することが可能である。例えば、喘息の患者は、２０乃至１００ｐｐｂの範囲内（Ｐｐａｒｔｓ  ｐｅｒ  ｂｉｌｌｉｏｎ）（非喘息の患者における０乃至２０ｐｐｂの範囲内とは対照的に）のＮＯの息を吐き、その濃度範囲はＯＦＥＴ１により検出可能である。
【００２３】
閾値電圧を有する、トランジスタの電気特性になぜ、吸収物質が影響を与えるかを支配する基本的な原理については分かっていない。その影響は、界面双極子として作用する吸収物質又は有機半導体において新しいドーパントを生成する吸収物質をもたらす可能性がある。
【００２４】
良好な測定感度についての上記の実施例においては、キャビティ７の幅は、好適には、０．５μｍ乃至５００μｍの範囲内にあり、最も好適には、約１０μｍである。
【００２５】
上記実施例においては、キャビティ７の一部を構成する絶縁体層３においてギャップが存在する。このことは本質的でない。代替の実施形態においては、キャビティ７は、絶縁体層３、半導体層６、ソース電極４及びドレイン電極５により規定される。そのような実施形態においては、キャビティ７の高さは、ドレイン電極４及びソース電極の高さ又は厚さにより決定され、好適には、２０ｎｍ以上である。絶縁体層３においてギャップが存在する実施形態においては、キャビティ７の高さは、典型的には、有機ポリマー絶縁体層については最大数μｍ及び酸化珪素の絶縁体については約２００ｎｍである絶縁体層３の厚さにより、主に決定される。
【００２６】
ここで、図２を参照するに、喘息検出について家庭用ケアキットで用いるために適する、本発明を実施する呼気分析装置１０を示している。分析装置１０は、ガスセンサユニット１３に接続されているマウスピース１１を有する。ガスセンサユニット１３は、図１に関連して上で説明しているＯＦＥＴ１と、検出器及び制御回路１２とを有する。
【００２７】
使用するとき、患者はマウスピース１に息を吐き、そのマウスピースはキャビティ７に呼気のサンプルを案内する。マウスピース１は、行われる測定についての制御されている流量及び温度においてキャビティ７にサンプルを案内するように備えられている。呼気のサンプル７は、そのサンプルにおけるＮＯ分子が有機半導体／空気界面において吸収されることを可能にするキャビティを通る。検出器及び制御回路１２は、ＮＯの吸収により、及びサンプルにおけるＮＯの濃度を表す信号（図示せず）の出力に応じて、もたらされるＯＦＥＴ１の閾値電圧又は他の電気性質における何れかの変化を測定する。
【００２８】
上記の実施形態はガス分析装置に関するものであるが、本発明の実施形態は、他の流体、例えば、液体を分析するように用いられることが可能である。
【００２９】
上記においては、好適な実施形態を参照して本発明について詳述しているが、対象の実施形態は単なる例示であり、同時提出の特許請求の範囲に記載している本発明の範囲及び主旨から逸脱することなく並びにそれらと同等であるように種々の修正及び変改が可能であることが当業者には理解できるであろう。用語“を有する”及びその用語の派生の用語は、全体として、何れかの請求項又は明細書に列挙されている要素又は段階以外の要素又は段階を排除するものではない。要素の単数表現は、そのような要素の複数の存在を排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】トランジスタの模式図である。
【図２】図１に示すトランジスタを有する流体センサの模式図である。
【図１】
2009501927.tif 000003
【図２】
2009501927.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月22日(2008.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート及び半導体導電性チャネルを有するトランジスタであって、使用するときに、キャビティに案内された流体サンプルからの成分が、前記半導体導電性チャネルに影響する前記半導体の露出表面部分に吸収されることが可能であるように、前記ゲートと前記半導体導電性チャネルとの間に前記キャビティを規定する、トランジスタ；並びに
前記半導体導電性チャネルに影響する前記半導体の前記露出表面において吸収される前記成分によりもたらされ、それに応じて、前記サンプルにおける前記成分の濃度を表す測定信号を生成する、前記トランジスタの特性における変化を検出するための検出器；
を有する流体分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体分析装置であって、前記半導体導電性チャネルは有機半導体である、流体分析装置。
【請求項３】
請求項２に記載の流体分析装置であって、前記有機半導体はポリアリルアミンを有する、流体分析装置。
【請求項４】
請求項１に記載の流体分析装置であって、前記トランジスタは、前記ゲートの表面において形成された絶縁層を更に有し、前記絶縁層は前記ゲートの表面の一部を露出したままにし、前記ゲートの前記露出表面部分に対向する前記半導体の前記露出表面部分を有するキャビティを前記ゲート、前記半導体導電性チャネル及び前記絶縁層が共に実質的に規定する、流体分析装置。
【請求項５】
請求項４に記載の流体分析装置であって、前記トランジスタは、前記絶縁体層の第１部分と前記半導体との間に形成されたソース、及び前記絶縁体層の第２部分と前記半導体との間に形成されたドレインを更に有する、流体分析装置。
【請求項６】
請求項１に記載の流体分析装置であって、前記トランジスタは、前記半導体の上側表面において形成された保護層を更に有する、流体分析装置。
【請求項７】
請求項１に記載の流体分析装置であって、前記トランジスタ特性は閾値電圧である、流体分析装置。
【請求項８】
請求項１に記載の流体分析装置であって、前記流体サンプルは呼気のサンプルであり、前記分析装置は、前記呼気のサンプルを前記キャビティに供給するためのマウスピースを更に有する、流体分析装置。
【請求項９】
請求項１に記載の流体分析装置であって、前記成分は、一酸化窒素、アセトン、エチルアルコール、一酸化炭素及びイソプレンのうちの一である、流体分析装置。
【請求項１０】
流体サンプルを分析する方法であって：
トランジスタのゲートと、前記トランジスタの導電性チャネルを構成する半導体層との間のトランジスタにおいて規定されるキャビティに流体サンプルを受け入れる段階であって、前記流体サンプルの成分は、前記導電性チャネルに影響する前記半導体層の露出表面部分において吸収されることが可能である、段階；及び
前記導電性チャネルに影響する前記露出表面部分において吸収される前記成分によりもたらされ、それにより、前記流体サンプルにおける前記成分の濃度を表す信号を生成する、トランジスタの特性における変化を検出する段階；
を有する方法。
【国際調査報告】
2009501927.tif 000005
2009501927.tif 000006
2009501927.tif 000007