science >> Wetenschap >  >> Chemie

Halfgeleiderchip die uitgeademd gas met hoge gevoeligheid bij kamertemperatuur detecteert

Chemische IoT-sensor die minuscule hoeveelheden gasmoleculen detecteert die zijn geadsorbeerd op het oppervlak van het dunne nanoblad Credit:Toyohashi University of Technology.

Derdejaars promovendus Toshiaki Takahashi, universitair hoofddocent Kazuhiro Takahashi, en hun onderzoeksteam van het Department of Electrical and Electronic Information Engineering aan de Toyohashi University of Technology hebben een testchip ontwikkeld met behulp van halfgeleidermicrobewerkingen die vluchtige gassen in uitgeademde lucht kunnen detecteren in ppm-concentraties bij kamertemperatuur. Een polymeer dat uitzet en samentrekt wanneer gas wordt geabsorbeerd, wordt gevormd op een flexibel vervormbare nanoplaat, en de hoeveelheid vervorming die optreedt wanneer een doelgas wordt geabsorbeerd, wordt gemeten, waardoor gas met hoge gevoeligheid kan worden gedetecteerd. De testchip, die is gevormd ter grootte van enkele vierkante millimeters met halfgeleider-microbewerkingstechnologie, zal naar verwachting bijdragen aan telehealth als een IoT-gassensor die gemakkelijk thuis kan worden gebruikt voor ademtesten.

Er zijn testmethoden die specifieke moleculen in de adem en het bloed meten die een index zijn voor het identificeren van het bestaan ​​en de mate van progressie van verschillende ziekten. Onder hen is niet-invasief meten door middel van ademtesten, dat is een veelbelovende testmethode voor ziekten met een lage patiëntenlast die de laatste jaren in de belangstelling staat. Het is gemeld dat vluchtige organische stoffen die deel uitmaken van de uitgeademde adem de concentratie verhogen in gevallen van diabetes, nierfalen, longkanker, enzovoort., en het kan worden verwacht dat deze laboratoriummarkers zullen worden gemeten voor gebruik bij screening van patiënten.

Eerder ontwikkelde halfgeleidergassensoren hebben een film gevormd op een sensor waarvan de elektrische weerstand en capaciteit veranderen als reactie op een gas, en metingen worden gedaan door de film tot enkele honderden graden Celsius te verwarmen. Echter, om temperatuurstijgingen in perifere circuits als gevolg van verwarming te verminderen, de afzonderlijke vorming van een structuur die de verwarmingsdelen van de periferie scheidt, is vereist, en de toegenomen complexiteit van fabricageprocessen en de afname van de integratie per oppervlakte-eenheid als gevolg van de isolatie van elementen zijn problemen. Ook, de toename van het stroomverbruik door verwarming vormt een probleem voor toepassingen in IoT-apparaten.

Daarom, het onderzoeksteam ontwikkelde een sensor die een polymeermateriaal vormt dat uitzet en samentrekt wanneer gasmoleculen worden geabsorbeerd op een dunne, flexibel vervormbare nanosheet, en het meet de hoeveelheid van het doelgas dat wordt geabsorbeerd in termen van de mate van vervorming van de plaat. De voorgestelde sensor gebruikt de interferometrische eigenschap van lichtintensivering door een nauwe opening om gasadsorptie te bepalen in termen van kleurverandering. Met deze technologie, er is een testchip gerealiseerd die gas bij kamertemperatuur kan meten zonder verwarmingsmechanisme. Ook, deze sensor kan de gevoeligheid verhogen zonder het gebied te vergroten vanwege de vorming van een smal, submicron luchtspleet van maximaal een paar honderd nanometer tussen het dunne nanoblad dat van vorm verandert en het halfgeleidersubstraat.

Echter, het was erg moeilijk om de dunne nanosheet boven de submicron-luchtspleet samen te voegen terwijl de opening werd gevormd, en het was nodig om een ​​nieuw productieproces te ontwikkelen om de structuur te bereiken. Daarom, het team concentreerde zich op de sterke hechtende eigenschappen van de dunne nanosheet wanneer warmte en druk worden toegepast. Er werd een nieuw productieproces geïntroduceerd waarbij twee verschillende siliciumsubstraten worden verlijmd, en vervolgens wordt het substraat aan één kant verwijderd om een ​​sensorstructuur te creëren met een submicron luchtspleet van ongeveer 400 nanometer. In vergelijking met traditionele sensorstructuren gevormd met een tussenruimte van enkele micrometers, de sensorrespons bleek 11 keer verbeterd te zijn, en het was mogelijk om de vervorming van het dunne nanoblad als gevolg van gasadsorptie in termen van kleurverandering te bepalen.

Aanvullend, werd aangetoond dat de ontwikkelde testchip ethanolgas kan detecteren, een typische vluchtige organische verbinding, in ppm-concentraties. De lagere detectielimiet voor concentraties is qua prestatie gelijk aan de meest gevoelige halfgeleidersensoren die kunnen meten bij kamertemperatuur, en vergeleken met sensoren die dezelfde detectiemethode gebruiken, de detectieprestaties zijn 40 keer verbeterd, terwijl de oppervlakte per enkel element werd teruggebracht tot 1/150. De sensor kan naar verwachting worden gebruikt als een kleine, draagbaar ademtestapparaat.

Het onderzoeksteam is van plan om de mogelijkheid aan te tonen om de halfgeleidersensor die ze hebben ontwikkeld te gebruiken om verschillende vluchtige gassen die verband houden met ziekten te detecteren. Ook, ze willen een kleine, draagbaar sensorsysteem voor ademmonitoring dat minder stroom verbruikt dan traditionele IoT-gassensoren.