(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気臭気センサであって、
臭気に対して感度のある第１の有機半導体層を有し、該第１の有機半導体層の誘電率に応答する出力信号を生成するように構成された第１の増幅器、
臭気に対して感度のある第２の有機半導体層を有し、該第２の有機半導体層の誘電率に応答する出力信号を生成するように構成された第２の増幅器、
該第１及び第２の有機半導体層に電圧を印加するために接続されたバイアシングネットワーク、及び
該第１及び第２の増幅器からの出力信号を受信するように接続され、該受信した出力信号と臭気の在／不在とを関連付けるように構成されたデバイス
からなり、
該バイアシングネットワークが、印加された電圧によって該第１及び第２の有機半導体層の誘電率が２つの臭気に対して異なる相対感度を持つように、一の電圧を該第１の有機半導体層に印加し、異なる他の電圧を該第２の有機半導体層に印加するように構成された
電気臭気センサ。
【請求項２】
請求項１記載の電気臭気センサであって、該増幅器は該デバイスに接続されたソース及びドレインを有し臭気に感度を持つ有機トランジスタからなる電気臭気センサ。
【請求項３】
請求項２記載の電気臭気センサにおいて、該有機トランジスタの第１及び第２のものがそれぞれ第１及び第２の半導体からなる活性チャネルを有することを特徴とする電気臭気センサ。
【請求項４】
請求項２記載の電気臭気センサにおいて、該ネットワークが、該増幅器の１つを構成する該トランジスタのゲートに印加されるべき一の電圧及び他の該増幅器を構成する該トランジスタのゲートに印加されるべき異なる他の電圧を発生させるように構成されたことを特徴とする電気臭気センサ。
【請求項５】
電気臭気センサであって、
第１及び第２の有機電界効果トランジスタ、
該第１及び第２の有機電界効果トランジスタのゲートに電圧を印加するように接続されたバイアシングネットワーク、及び、
該第１及び第２の電界効果トランジスタにおけるドレイン電流に応答する信号を受信し、第１の臭気の存在と第２の臭気の存在とを該トランジスタからの該受信信号に基づいて区別するように構成されたデバイス
からなり、
該第１及び第２の有機電界効果トランジスタが、電圧が印加されたときに該第１及び第２の臭気の存在に応答する値のドレイン電流を発生し、
該バイアシングネットワークが、印加された電圧によって該第１及び第２の電界効果トランジスタが異なる臭気感度を持つように、一の電圧を該第１の電界効果トランジスタのゲートに印加し、異なる他の電圧を該第２の電界効果トランジスタのゲートに印加するように構成された
電気臭気センサ。
【請求項６】
請求項５記載の電気臭気センサにおいて、該第１の有機電界効果トランジスタが第１の有機半導体からなる活性チャネルを有し、該第２の有機電界効果トランジスタが第２の有機半導体からなる活性チャネルを有することを特徴とする電気臭気センサ。
【請求項７】
請求項５記載の電気臭気センサにおいて、該トランジスタのソース又はドレインのいずれかが該デバイスに接続された電気臭気センサ。
【請求項８】
臭気を検出するための方法であって、
増幅器のアレイにおける臭気に対して感度のある有機半導体層に臭気を吸収するステップであって、各増幅器が該有機半導体層における関連する１つの有機半導体層を有している、ステップ、
該有機半導体層のうちの第１及び第２の有機半導体層の誘電率によって第１の及び第２の臭気の吸収に対して異なる応答をするように、該第１及び第２の有機半導体層に異なる電圧を印加するステップ、
印加された該異なる電圧に対して臭気を吸収する動作に応答して、該アレイにおける増幅器で生成された出力信号のセットを測定するステップ、及び、
該出力信号の測定値に基づいて吸収された臭気のアイデインテティを判別するステップ
からなる方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子的ガスおよびケミカルセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスおよびケミカル（chemical）に対するセンサは、食品処理、農業、医学および環境サーベランスにおいて用途を有する。ここで、我々はセンサが検出するガスおよびケミカルの両方を、臭気（odor）と呼ぶ。臭気センサの用途は、センサの、選択性、感度、再現性および信頼性に依存する。いくつかの臭気センサは、臭気を同定することおよび同定された臭気分子の濃度を決定することの両方を可能にする選択性および感度を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
いくつかの臭気センサは、特定の臭気分子の存在に対して感度のよい抵抗値を有する抵抗器を使用する。アレイタイプ抵抗センサにおいて、感度のよい抵抗器の個々の抵抗率は、異なるタイプの臭気の存在に対して異なるように反応する。抵抗器は、様々な臭気を同定するためのフィンガプリントとして機能する抵抗値のアレイを生じる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
一側面において、本発明は、電子的臭気センサである。このセンサは、第１および第２の増幅器、バイアシングネットワーク、および第１および第２の増幅器からの出力信号を受信するように接続されたデバイスを含む。このデバイスは、受信された出力信号を臭気の存在または不存在に相関させるように構成される。第１および第２の増幅器は、それぞれ第１および第２の有機半導体層を有し、それらのそれぞれの有機半導体層の導電率に応じて出力信号を生成するように構成されている。有機半導体層の導電率は、増幅器のうちの関連するものに与えられる電圧および臭気の存在に応答する。バイアシングネットワークは、電圧を増幅器に与える。
【０００５】
第２の側面において、本発明は、電子的臭気センサである。このセンサは、第１および第２の有機電界効果トランジスタ、第１および第２の有機電界効果トランジスタのゲートに与えられる電圧を生じるためのバイアシングネットワーク、およびトランジスタ中のドレイン電流に応答する信号を受信するように接続されたデバイスを含む。トランジスタのドレイン電流は、電圧がトランジスタに与えられるとき、２つの臭気の存在に応答する値を有する。このデバイスは、第１の臭気の存在と第２の臭気の存在とを、受信信号の値に基づいて区別するように構成される。
【０００６】
第３の側面において、本発明は、臭気を検出ためのプロセスである。このプロセスは、増幅器のアレイの有機半導体層に臭気を吸収させるステップ、および吸収の作用に応答して、増幅器のアレイにより生じる出力信号を測定するステップを含む。この層は、臭気の吸収に異なるように応答する導電率を有し、出力信号は、層の導電率に応答する。このプロセスは、測定された出力信号のセットに基づいて、吸収された臭気のアイデンティティを決定するステップも含む。
【０００７】
【発明の実施の形態】
ここでは、増幅器は、活性（active）半導体層を備えたソリッドステートデバイス、例えば、有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）および／またはバイポーラトランジスタを含む。
【０００８】
図１は、その電気特性が、臭気の存在に対して感度のよい有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）１０の断面図である。ＯＦＥＴ１０は、約１０−１００ナノメートル（ｎｍ）の厚さの有機半導体層１２を有する。有機半導体層１２は、ＯＦＥＴ１０の外側カバーリングを形成し、活性チャネル１４を含む。ＯＦＥＴ１０は、ソース１６、ドレイン１８、およびゲート２０も含む。ゲート２０は、シリコン基板２２上にあり、有機半導体層１２、ソース１６、およびドレイン１８から、誘電体層２４により絶縁されている。
【０００９】
ここで、活性チャネル１４は、ソース１６とドレイン１８との間に配置された層１２の一部を指す。ゲート２０に与えられる電圧は、活性チャネル１４の導電率を制御する。ゲート２０における電圧は、例えば、いくつかの分子の厚さ（a few molecules thick）の誘電体層２４に隣接するチャネル１４の活性部分の導電率を制御する。図示しないいくつかの実施形態において、シリコン基板２２は、ゲートとしても機能する。
【００１０】
有機半導体層１２は、ＯＦＥＴ１０の外側カバーリングを形成するので、層１２中に形成されたチャネル１４は、周囲のガス２６から臭気分子を吸収することができる。所定の臭気分子の吸収は、有機半導体層１２のキャリア密度、トラップ密度、移動度、または他の特性を変化させることにより、活性チャネル１４の導電率を変化させる。チャネルの導電率を変化させることは、チャネル１４中のドレイン電流を変化させる。これにより、ドレイン電流の変化は、保護されていない層１２の上の周囲のガス２６中の臭気分子の存在に対する電気的応答であり、ＯＦＥＴ１０を、電子的臭気センサとして特徴づける。
【００１１】
ＯＦＥＴ１０の臭気感度は、活性層１２０の物理的構造および化学的組成の両方に依存する。
【００１２】
有機半導体層１２は、その中で、グレインが約１０−１００ｎｍの直径を有する多結晶構造を有する。これらの小さなグレインサイズは、大きな表面積を臭気ペネトレーション（penetration）に利用可能とすることにより、臭気分子の層１２中へのペネトレーションを容易にする。小さなグレインサイズのこれらの効果は、臭気分子と活性チャネル１４の分子との間の化学的および／または物理的相互作用を促進し、通常、ＯＦＥＴ１０の臭気感度を増大させる。
【００１３】
活性層１２は、共役二重結合（conjugated double bonds）を有する有機分子からなる材料のようなアンテナ有機半導体を含む。例示的な有機半導体は、炭化水素エンド置換（hydrocarbon-end-substituted）α−６Ｔ（α−sexithiophene）、チオヘン（thiophene）の炭化水素置換ポリマー、１，４，５，８−ＮＴＣＤＡ（naphthalene tetracarboxylic dianhydride）、ＣｕＰｃ（copper phthalocyanine）、およびＦ１６ＭＰｃ（metal-hexadecafluoro-phthalocyanine）を含む。
【００１４】
α−６Ｔに基づく例示的な半導体は、ｄＨα６Ｔ（di-hexyl-α−６Ｔ）、ｄＢα６Ｔ（di-butyl-α−６Ｔ）、ｄＤＤα６Ｔ（di-dodecyl-α−６Ｔ）、およびｄＯＤα６Ｔ（di-octadecyl-α−６Ｔ）を含む。チオヘンのポリマーに基づく例示的な半導体は、レジオレギュラー（regioregular）ｐＨＴ（poly-hexyl-thiophene）、ｐＤＤＴ（poly-dodecy-thiophene）、およびｐＯＴ（poly-octyl-thiophene）を含む。Ｆ１６ＭＰｃに基づく半導体は、金属原子“Ｍ”が銅、亜鉛、鉄またはコバルトである分子を含む。
【００１５】
ＯＦＥＴ１０の臭気感度は、有機半導体層１２の分子における炭化水素エンドグループのタイプおよび臭気分子のサイズに依存する。これらの両方の特性が、臭気分子の活性チャネル１４へのペネトレーション深さに影響を与える。活性チャネル１４が、より大きな炭化水素エンドグループを有する分子からなる場合、対応するＯＦＥＴ１０は、通常、臭気分子のより大きなペネトレーションのために、より高い感度を有する。
【００１６】
図２は、異なる分子組成の半導体層１２を有するＯＦＥＴ１０に対する、臭気への暴露から生じるドレイン電流の変化、即ちΔＩｏｎを示す。異なる有機半導体層１２の分子は、異なる炭化水素エンドグループを有する。活性チャネル１４が、ｄＯＤα６Ｔ、ｄＤＤα６Ｔ、およびｄＨα６ＴからなるＯＦＥＴ１０に対して、アルコール臭気分子の存在に対するドレイン電流の変化ΔＩｏｎの応答性は、分子の炭化水素エンドグループの長さが増大すると増大する。通常、ＯＦＥＴ１０は、その有機半導体層１２が、より大きな炭化水素エンドグループを有する分子を含む場合、臭気分子に対してより感度がよくなる。
【００１７】
図１のＯＦＥＴ１０の電気的特性は、時間に依存する。図３は、様々なゲート・ソース電圧Ｖｇに対する時間の関数としてのドレイン電流Ｉｄの時間依存性を示す。ドレイン電流Ｉｄは、臭気分子が存在しない場合であっても、時間に依存する。臭気に対するＯＦＥＴ１０の感度を示すために、図３は、臭気分子がない較正期間および臭気分子が存在するテスト期間の両方に対するドレイン電流Ｉｄを示す。テスト期間において、１-オクタノル（1-octanol）の臭気分子が、周囲のガス２６中に存在し、ｄＤα６Ｔの活性チャネル１４中に拡散する。テスト期間において、周囲のガス２６は、ＯＦＥＴ１０がドレイン電流を生成するために電力を与えられた後、約１０秒でスタートする１０秒間の間１-オクタノルの分子を運ぶ。
【００１８】
ＯＦＥＴ１０を１-オクタノルの臭気分子にさらした後、ドレイン電流Ｉｄの値は、１-オクタノルの臭気分子がない較正期間中の対応する時間に対するドレイン電流の値から離れ始める。テスト期間と較正期間のドレイン電流Ｉｄの間の偏差のサイズは、バイアス電圧ＶｇおよびＯＦＥＴの半導体チャネルが１-オクタノルの臭気にさらされる時間の両方に依存する。−１．０ボルトよりさらに負のＶｇに対して、ドレイン電流の間の偏差ΔＩｄは、１-オクタノルの臭気分子に対する約５秒の暴露の後に測定可能である。この遅延は、１-オクタノルの分子が有機半導体チャネル１４に拡散することに係る時間により生じる。Ｖｇ＞−１．０ボルトに対して、１オクタノルの臭気分子は、１-オクタノルの臭気分子がない場合のドレイン電流Ｉｄの値から測定可能な偏差ΔＩｄをドレイン電流Ｉｄに生じさせない。
【００１９】
ドレイン電流における偏差ΔＩｄは、臭気分子の存在に対する電気的応答であり、即ち、臭気分子の存在は、ＯＦＥＴ１０の電気的特性を変化させた。応答のサイズは、ゲート・ソース電圧Ｖｇにも依存する。
【００２０】
図４は、ｄＤＤαＴのカバーされていない半導体層１２を有するＯＦＥＴ１０のドレイン電流が、異なる値のゲート・ソース電圧Ｖｇに対して、様々な臭気分子の存在に応答していかに偏差を生じるかを示す。偏差は、Ｉｔ−ｄ１／２−Ｉｃ−ｄ１／２の差測定される。ここで、Ｉｔ−ｄおよびＩｃ−ｄは、それぞれの較正期間およびテスト期間の等価な時間的インタバルにおけるドレイン電流Ｉｄの値である。較正期間において、ＯＦＥＴ１０は、臭気にさらされない。テスト期間において、ＯＦＥＴは、臭気にさらされ、ドレイン電流は、ＯＦＥＴ１０の５秒間の臭気に対する暴露の後に測定される。差Ｉｔ−ｄ１／２−Ｉｃ−ｄ１／２は、ＯＦＥＴ１０の電気的特性における応答を生じない臭気に対して消えてなくなる。
【００２１】
図４の測定値は、様々な臭気に対するドレイン電流の相対的応答が、ゲート・ソース電圧Ｖｇによっても影響を受けることを示す。例えば、オクタンチオル（octanethiol）臭気分子の存在は、Ｖｇがゼロであるとき、ＯＦＥＴ１０のドレイン電流の値に影響を与えないが、Ｖｇが−３ボルトよりさらに負であるとき、ドレイン電流の大きな偏差が観察される。ゲート・ソース電圧の値のセットに対応するＩｔ−ｄ１／２−Ｉｃ−ｄ１／２の値のセットは、例えば｛Ｖｇ｝＝（−０，−１．０，−２．０，−３．０，−４．０）に対して、ベクトル値の「フィンガープリント（fingerprint）」を提供する。Ｉｔ−ｄ１／２−Ｉｃ−ｄ１／２のセット値は、フィンガープリントである。これは、値のセットが、図４中にリストされた異なる臭気分子の存在を同定しかつ区別するために使用可能であるからである。Ｉｔ−ｄ１／２−Ｉｃ−ｄ１／２の値のセットは、異なる臭気分子に対して異なる。これは、異なるゲート電圧Ｖｇによりバイアスされるとき、臭気に対する有機半導体層１２の感度が変化するからである。
【００２２】
また、Ｉｔ−ｄ１／２−Ｉｃ−ｄ１／２の値のセットは、正規化され得る。正規化を実行するために、Ｉｔ−ｄ１／２−Ｉｃ−ｄ１／２の値のセットは、予め選択されたＶｇ、例えばＶｇ＝−５．０に対するＩｔ−ｄ１／２−Ｉｃ−ｄ１／２の値によりわり算される。このタイプの正規化は、臭気分子の濃度に依存しないように臭気を同定するベクトルオブジェクトを生じる。そのようなベクトルに対して、成分の大きさにより形成されるパターンは、異なるタイプの臭気分子を区別する。
【００２３】
図５は、ドレイン電流に対する偏差、即ち、異なるタイプの臭気分子の異なる組成の活性層１２への拡散により生じるΔＩｄ＝Ｉｔ−ｄ−Ｉｃ−ｄを示す。様々な臭気分子は、異なる組成の活性層を有するＯＦＥＴ１０に対してドレイン電流Ｉｄの異なる偏差を生じさせる。これにより、異なる組成の活性層１２を有するＯＦＥＴ１０のアレイは、ドレイン電流偏差ΔＩｄのセットおよびΔＩｄのセットのアイデンティティにより臭気に対する暴露に応答し、臭気を区別する。例えば、その活性層１２がｄＨα６Ｔ、ｄＤＤα６Ｔ、ｄＯＤα６ＴおよびＣｕＰｃを含むＯＦＥＴ１０に対するドレイン電流偏差ΔＩｄのアレイは、トルエン（toluene）、１-カルボン（１-carvone）、オリゲノール（eugenol）、およびバニリン（vanillin）を同定しかつ区別する電流偏差のベクトルのようなセットを提供する。
【００２４】
ここで、オブジェクトが、第１の臭気に関連づけられた値および第２の臭気に関連づけられた値を有し、２つの値が異なる場合、オブジェクトは、第１および第２の臭気の存在を同定しかつ区別する。例えば、１つのそのようなオブジェクトは、ｄＨα６Ｔ、ｄＤＤα６Ｔ、ｄＯＤα６ＴおよびＣｕＰｃ活性チャネル１４を有するＯＦＥＴにより生じるΔＩｄの値の５次元（5-dimensional）ベクトルの向き（orientation）である。
【００２５】
図６は、電子アレイタイプ臭気センサ４０を示す。アレイタイプセンサ４０は、それぞれの入力端子４４１−４４Ｎ、出力端子４６１−４６Ｎ、およびパワー端子４８１−４８Ｎ、５０１−５０Ｎを有するＮ個の臭気に感度のよい電圧増幅器４２１−４２Ｎを含む。入力端子４６１−４６Ｎは、入力電圧を増幅器４２１−４２Ｎに与える分圧回路５２１−５２Ｎに接続する。これらの入力電圧は、ＤＣまたはパルスであり得る。出力端子４６１−４６Ｎは、出力電圧Ｖｏｕｔ−１−Ｖｏｕｔ−Ｎを測定し、出力電圧Ｖｏｕｔ−１−Ｖｏｕｔ−Ｎの測定された値から臭気のアイデンティティを決定するコンパレータデバイス５６の入力端子５４１−５４Ｎに接続する。
【００２６】
アレイタイプセンサ４０は、臭気を同定しかつ区別するために使用される出力電圧のセットＶｏｕｔ−１−Ｖｏｕｔ−Ｎの並列的集積および分析を実行する。出力電圧のセットを並列的に集積することは、臭気検出をスピードアップする。これは、個々の出力電圧の測定プロセスが、約１ないし４０秒の長さのテスト期間係るからである。
【００２７】
異なる増幅器４２１−４２Ｎは、臭気の存在に異なるように応答する電界誘導（field-induced）導電率を有する有機半導体層５３１−５３Ｎを有する。増幅器４２１−４２Ｎからの出力電圧のセットＶｏｕｔ−１−Ｖｏｕｔ−Ｎは、層５３１−５３Ｎの導電率にも応答する。異なる臭気への層５３１−５３Ｎの導電率の応答の差のために、出力電圧のセットＶｏｕｔ−１−Ｖｏｕｔ−Ｎは、異なる臭気に対して異なる値をとる。層５３１−５３Ｎの導電率は、入力端子４４１−４４Ｎに与えられる入力電圧の値にも応答する。
【００２８】
出力電圧のセットＶｏｕｔ−１−Ｖｏｕｔ−Ｎは、そのＮ次元空間における方向が、臭気への層５３１−５３Ｎの導電率の応答の差のために異なる臭気を同定しかつ区別するＮ次元ベクトルを形成する。コンパレータデバイス５６は、Ｎ個の出力電圧のセットＶｏｕｔ−１−Ｖｏｕｔ−Ｎを、出力電圧の参照セットと一致するかどうか比較する。参照セットの値は、既知の臭気の存在に応答して、増幅器４２１−４２Ｎにより生じる出力電圧Ｖｏｕｔ−１−Ｖｏｕｔ−Ｎに応答する。コンパレータデバイス５６に接続されたデータ記憶デバイス５８は、参照セットの値を記憶する。例示的なデータ記憶デバイス５８は、アクティブメモリ、磁気ディスク、または光ディスクを含む。
【００２９】
例示的なコンパレータデバイス５６は、ソフトウェアプログラムを実行するコンピュータ、例えば、光ディスクまたは磁気ディスクに記憶されたプログラムを実行可能なコンピュータを含む。プログラムは、端子５４１−５４Ｎにおいて、出力電圧のセットＶｏｕｔ−１−Ｖｏｕｔ−Ｎを測定し、測定された出力電圧のセットを、データ記憶デバイス５８に記憶された参照セットと比較し、比較から臭気分子のアイデンティティを決定するプロセスを実行する。
【００３０】
図７Ａは、図１の臭気感度のよい増幅器４２１−４２Ｎとして使用するための例示的な電圧増幅器４２Ａを示す。増幅器４２Ａにおいて、図１の臭気感度のよいＯＦＥＴ１０および負荷抵抗器６０は、ＶＤおよび接地の電圧源間で直列回路を形成する。ＯＦＥＴのゲート２０およびドレイン１８は、それぞれの入力および出力端子４４，４６に接続する。入力電圧ＶＩＮは、ＯＦＥＴ１０をバイアスし、ＯＦＥＴのドレイン電圧は、増幅器４２Ａの出力電圧ＶＯＵＴである。出力電圧ＶＯＵＴは、ＯＦＥＴの活性チャネル、即ち図１のチャネル１４の導電率に応答する。導電率は、周囲のガス２６中の臭気の存在および入力端子４４における電圧ＶＩＮの両方に反応する。これにより、ドレイン電圧ＶＯＵＴおよびＯＦＥＴ１０のドレイン電流の値は、臭気の存在に反応する。
【００３１】
図７Ｂは、図６の臭気感度のよい増幅器４２１−４２Ｎとして使用するための代替的な電圧増幅器４２Ｂを示す。増幅器４２Ｂは、２つのカスケード接続された段を有する。各段は、臭気感度のよいＯＦＥＴ１０Ａ，１０Ｂのドレインまたはソースに直列接続された付加抵抗器６０Ａ，６０Ｂを含む。これらの段は、ＶＤおよび接地の電圧源間に接続する。第１の段のＯＦＥＴ１０Ｂは、入力端子４４、即ち図６の入力端子４４１−４４Ｎにおいて電圧ＶＩＮによりバイアスされたゲート２０Ｂ、およびカスケードのような較正における第２の段のＯＦＥＴ１０Ａのゲート２０Ａをバイアスするドレイン１８Ｂを有する。
【００３２】
第２の段のＯＦＥＴ１０Ａのドレイン１８Ａは、増幅器４２Ｂの出力端子４６に接続する。ＯＦＥＴ１０Ａおよび１０Ｂの両方は、入力電圧ＶＩＮおよび周囲のガス中の臭気の存在に反応する導電率を有する有機半導体チャネルを有する。臭気感度のよいＯＦＥＴ１０Ａ，１０Ｂのカスケード較正は、出力電圧ＶＯＵＴを、臭気に対してより感度よくさせる。これは、臭気感度のよい第１の段の出力電圧が、臭気感度のよい第２の段により増幅されるからである。
【００３３】
ここで、臭気感度のよい増幅器、例えば図７Ａおよび７Ｂの増幅器４２Ａおよび４２Ｂの電圧利得は本質的ではない。いくつかの例示的な増幅器は、１より大きい電圧利得を有し、他の例示的な増幅器は、１以下の電圧利得を有する。
【００３４】
図６において、臭気感度のよい増幅器４２１−４２Ｎは、出力電圧Ｖｏｕｔ−１−Ｖｏｕｔ−Ｎが、異なる臭気を区別するための電圧子のパターンを提供するように、異なる臭気に対して異なる感度を有する。いくつかのセンサ４０において、増幅器４２１−４２Ｎの異なる感度は、入力端子４４１−４４Ｎに与えられる異なるバイアシング電圧から生じる。異なるバイアシング電圧を生じさせるために、Ｎ個の分圧回路５２１−５２Ｎは、異なる値を有する抵抗器Ｒ１−ＲＮを有する。他のセンサ４０において、増幅器４２１−４２Ｎの異なる感度は、増幅器４２１−４２Ｎのうちの異なるものにおいてＯＦＥＴ１０を使用することから生じる。これらのセンサにおいて異なるＯＦＥＴ１０は、異なる有機半導体、異なるグレインサイズ、または異なるチャネル深さ、即ち、図１の有機半導体層１２の異なる厚さのいずれかを有する活性チャネル１４を有する。
【００３５】
図８Ａは、図６の電子アレイタイプ臭気センサ４０を使用して臭気分子を同定するプロセス７０に対するフローチャートである。プロセス７０は、較正フェーズおよびテストフェーズを有する。較正フェーズにおいて、プロセス７０は、入力電圧の小さな変化に応答して、出力電圧のセットＶＯＵＴ−１−ＶＯＵＴ−Ｎを生成する臭気感度のよい増幅器４２１−４２Ｎに選択された入力電圧を与え、パワーを与えるステップを含む（ステップ７１）。いくつかの実施形態に対して、臭気感度のよい増幅器４２１−４２Ｎに与えられる選択された入力電圧は、個々の増幅器４２１−４２Ｎが臭気分子に対して異なる感度を有するように、異なる値を有する。増幅器４２１−４２Ｎにパワーを与えるステップの後に、プロセス７０は、臭気感度よい増幅器４２１−４２Ｎに周期分子を受けさせることなしに、出力電圧を測定するステップを含む（ステップ７２）。
【００３６】
出力電圧を測定するステップの後に、プロセス７０は、臭気感度のよい増幅器４２１−４２Ｎからの出力電圧が、以前の入力電圧の影響がなくなるように、入力電圧を反転させるステップを含む（ステップ７３）。図７Ａおよび７Ｂの臭気感度のよい増幅器４２Ａ，４２Ｂに対して、入力電圧を反転させることは、ＯＦＥＴ１０，１０Ａ，１０Ｂの活性チャネル１４の導電率を、所定のバイアス状態に対するテスト前初期値に回復させる。反転された入力電圧を加えることに応じて、活性チャネル１４中のキャリア密度は、以前に捉えられたチャージキャリアがチャネル１４からなくなるので、低くなる。テストフェーズにおいて、プロセス７０は、臭気感度のよい増幅器４２１−４２Ｎに再びパワーを与え、同じ選択された入力電圧を増幅器４２１−４２Ｎに再び与えるステップを含む（ステップ７４）。
【００３７】
その所定時間後に、プロセス７０は、臭気分子が活性層１４に吸収されるように、臭気分子を運ぶガスを、臭気感度のよい増幅器４２１−４２Ｎの上に通すステップを含む（ステップ７５）。入力電圧を与えかつ増幅器４２１−４２Ｎにパワーを与えた後、ステップ７２において使用されたものと同じ遅延で、プロセス７０は、臭気感度のよい増幅器４２１−４２Ｎにより生じた出力電圧を測定するステップを含む（ステップ７６）。プロセス７０は、存在する臭気分子を同定し、臭気分子の濃度を決定するために、テストフェーズおよび較正フェーズの間に測定された出力電圧間の差を使用するステップを含む（ステップ７７）。較正フェーズおよびテストフェーズにおいて測定された出力電圧の差に検知する臭気を基づかせることにより、図３に示されるドレイン電流ドリフトのようなバックグラウンドエフェクトが除去される。
【００３８】
較正フェーズおよびテストフェーズの後に、プロセス７０は、新しい臭気との別の検知サイクルのために、臭気感度のよい増幅器を再初期化する回復動作を実行するステップを含む（ステップ７８）。一実施形態において、回復動作は、有機半導体チャネル１４中の臭気分子境界（bound）からガス放出させるために、増幅器４２１−４２Ｎの上に臭気のないガスを通過させ、ガス放出の間、以前に説明したように、臭気感度のよい増幅器４２１−４２Ｎへの入力電圧を反転させるステップを含む。いくつかの実施形態は、回復動作において臭気分子のガス放出をさせるために、増幅器４２１−４２Ｎを約１００℃まで加熱する。回復動作の後、増幅器４２１−４２Ｎの臭気感度のよい有機半導体層のキャリア密度および化学的組成は、それらの初期状態に戻される。そして、臭気センサ４０は、新しい臭気に対する別の検知サイクルを実行するために準備完了となる。
【００３９】
図８Ａは、図８Ａのプロセス７０の例示的な動作サイクルを示す。このサイクルは、較正フェース、テストフェーズ、および回復動作を含む。このサイクルの一部において、ゲート・ソース電圧Ｖｇ、ドレイン・ソース電圧ＶＤ、ドレイン電流Ｉｄおよび臭気分子の濃度が示されている。
【００４０】
図９は、臭気分子が、測定された出力電圧に基づいて同定されるステップ７７に対するフローチャートである。図６のアレイタイプセンサ４０において、コンパレータデバイス５６は、同定ステップを実行する。
【００４１】
同定を実行するために、コンパレータデバイス５６は、テストフェーズにおいて測定された出力電圧のセットから較正フェーズにおいて測定された出力電圧のセットを引き算することにより、測定された差電圧のベクトルのようなセットを形成する（ステップ８２）。測定された差電圧のベクトルの成分は、臭気の存在により引き起こされた増幅器のアレイ４２１−４２Ｎへの変化を示す。コンパレータデバイス５６は、測定された差電圧のベクトルと既知の臭気分子に応答する差電圧の参照ベクトルとの間の一致を探す（ステップ８４）。差電圧の参照ベクトルの値は、図６のデータ記憶デバイス５８に記憶される。一致を見つけるために、コンパレータデバイス５６は、Ｎ次元空間において同じ方向を指す２つの比較されるＮ成分ベクトルに応じて、一致、即ち予め選択された誤差までを信号するパターン認識アルゴリズムを実行する。
【００４２】
パターン認識アルゴリズムは、異なる長さのベクトル間の一致を信号（signaling）することができる。測定された差電圧のセットと参照セットのうちの１つとの一致の発見に応じて、コンパレータデバイス５６は、アレイタイプセンサ４０により検出された臭気を、一致する参照セットに応答する既知の臭気として同定する（ステップ８６）。コンパレータデバイス５６は、測定された差電圧のセットの一成分の値を、一致する参照セットの同じ成分と比較することにより、臭気の濃度を決定する。測定された電圧差は、臭気分子の濃度に比例するので、１つの測定された成分の値の、一致する参照セットの同じ成分の値に対する比は、臭気分子の濃度を測定する。
【００４３】
図１において、ＯＦＥＴ１０の異なる実施形態は、その物理的寸法、即ち幅および長さが大きく異なるサイズを有する活性チャネル１４を有する。例えば、いくつかのＯＦＥＴは、その長さＬが２０ｎｍより短いチャネル１４を有する。そのような小さいチャネル長Ｌに対して、ＯＦＥＴの応答は、有機半導体と分析（analyte）分子との間の相互作用により直接的に関連し得る。これは、遙かに長いチャネルを有するＯＦＥＴ１０を使用するセンサに比べて、そのようなＯＦＥＴ１０を使用する分析センサの感度を向上させ得る。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、改良された電子ガスセンサを提供することができる。
【００４５】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号は、本発明の一実施例の対応関係を示すもので本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】臭気に対して感度のよい有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）の断面図。
【図２】例示的な臭気感度のよいＯＦＥＴの感度がどのように臭気分子のサイズに依存するかを示す図。
【図３】様々なゲートバイアス電圧について、図１のＯＦＥＴのドレイン電流の臭気に対する感度を示す図。
【図４】異なる臭気に対する図１のＯＦＥＴの臭気感度をゲートバイアス電圧の関数として示す図。
【図５】異なる組成の活性チャネルを有するＯＦＥＴからの異なる臭気に応答する出力信号を示す図。
【図６】アレイタイプ電子臭気センサを示す図。
【図７】図６のアレイタイプ電子臭気センサにおいて使用するための代替的な臭気感度のよい増幅器を示す図。
【図８】図６のアレイタイプ電子臭気センサで臭気を同定するステップを示すフローチャート。
【図９】ＯＦＥＴに与えられるゲート電圧およびドレイン電圧、および図８のプロセスの臭い探知プロセスの間にＯＦＥＴにより測定されるドレイン電流を示す図。
【図１０】図６のアレイタイプ臭気センサにおいて測定される出力電圧から臭気を同定するプロセスを示すフローチャート。
【符号の説明】
１０  有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）
１２  有機半導体層
１４  活性チャネル
１６  ソース
１８  ドレイン
２０  ゲート
２２  シリコン基板
２４  誘電体層
２６  ガス
４０  アレイタイプセンサ
５２  分圧回路
５６  コンパレータデバイス
５８  データ記憶デバイス
【図１】
0004104343.tif 000002
【図２】
0004104343.tif 000003
【図３】
0004104343.tif 000004
【図４】
0004104343.tif 000005
【図５】
0004104343.tif 000006
【図６】
0004104343.tif 000007
【図７】
0004104343.tif 000008
【図８】
0004104343.tif 000009
【図９】
0004104343.tif 000010
【図１０】
0004104343.tif 000011