Halvlederchip, der detekterer udåndet gas med høj følsomhed ved stuetemperatur

Tredjeårs doktorand Toshiaki Takahashi, lektor Kazuhiro Takahashi, og deres forskerteam fra Institut for Elektrisk og Elektronisk Informationsteknik ved Toyohashi University of Technology udviklede en testchip ved hjælp af halvledermikrobearbejdning, der kan detektere flygtige gasser i udåndet åndedræt i ppm-koncentrationer ved stuetemperatur. En polymer, der udvider sig og trækker sig sammen, når gas absorberes, dannes på et fleksibelt deformerbart nanosark, og mængden af ​​deformation, der opstår, når en målgas absorberes måles, gør det muligt at detektere gas ved høj følsomhed. Testchippen, som er dannet i størrelsen på et par kvadratmillimeter med halvleder-mikrobearbejdningsteknologi, forventes at bidrage til telehealth som en IoT -gassensor, der let kan bruges i hjemmet til åndeprøver.

Der er testmetoder, der måler specifikke molekyler i åndedrættet og blod, der er et indeks til at identificere eksistensen og graden af ​​progression af forskellige sygdomme. Blandt dem er ikke-invasiv måling gennem åndedrætstest, som er en lovende testmetode for sygdomme med lav patientbyrde, der har tiltrukket opmærksomhed i de senere år. Det rapporteres, at flygtige organiske forbindelser, der indgår i udåndet åndedræt, øger koncentrationen i tilfælde af diabetes, Nyresvigt, lungekræft, etc., og det kan forventes, at disse laboratoriemarkører vil blive målt til brug i patientundersøgelser.

Tidligere udviklede halvledergassensorer har en film dannet på en sensor, hvis elektriske modstand og kapacitans ændres i reaktion på en gas, og målinger foretages ved opvarmning af filmen til flere hundrede grader Celsius. Imidlertid, for at reducere temperaturstigninger i perifere kredsløb på grund af opvarmning, den separate formning af en struktur, der adskiller varmedelene fra periferien, er påkrævet, og den øgede kompleksitet i fremstillingsprocesser og faldet i integrationen pr. arealenhed på grund af isolering af elementer er spørgsmål. Også, stigningen i strømforbruget forårsaget af opvarmning udgør et problem for applikationer i IoT -enheder.

Derfor, forskergruppen udviklede en sensor, der danner et polymermateriale, der udvider sig og trækker sig sammen, når gasmolekyler absorberes på en tynd, fleksibelt deformerbart nanosheet, og den måler mængden af ​​målgassen, der absorberes i form af arkets deformation. Den foreslåede sensor anvender den interferometriske egenskab af lysintensivering gennem et snævert mellemrum til at bestemme gasadsorption med hensyn til farveændringer. Med denne teknologi, en testchip blev realiseret, der kan måle gas ved stuetemperatur uden en varmemekanisme. Også, denne sensor kan øge følsomheden uden at øge området på grund af dannelsen af ​​en smal, sub-mikron luftspalte på op til et par hundrede nanometer mellem det tynde nanosark, der ændrer form og halvlederunderlaget.

Imidlertid, det var meget vanskeligt at flette det tynde nanosheet over luftmellemrummet på under mikron, mens det dannede hullet, og det var nødvendigt at udvikle en ny fremstillingsproces for at opnå strukturen. Derfor, teamet fokuserede på de stærke klæbeegenskaber i det tynde nanosheet, når der påføres varme og tryk. En ny fremstillingsproces blev introduceret, hvor to forskellige siliciumsubstrater klæbes, og derefter fjernes substratet på den ene side for at skabe en sensorkonstruktion med et submikron luftspalte på ca. 400 nanometer. I sammenligning med traditionelle sensorstrukturer dannet med et hul på et par mikrometer, sensorresponsen viste sig at have forbedret sig med 11 gange, og det var muligt at bestemme deformationen af ​​det tynde nanosheet på grund af gasadsorption med hensyn til farveændring.

Derudover det blev påvist, at testchippen, der blev udviklet, kan detektere ethanolgas, en typisk flygtig organisk forbindelse, i ppm -koncentrationer. Den nedre koncentrationsdetekteringsgrænse svarer i ydeevne til de mest følsomme halvlederfølere, der kan måle ved stuetemperatur, og sammenlignet med sensorer, der bruger den samme detektionsmetode, registreringsydelsen forbedret med 40 gange, mens arealet pr. enkelt element blev reduceret til 1/150. Sensoren kan forventes at blive brugt som en lille, bærbar åndedrætsværn.

Forskergruppen planlægger at demonstrere muligheden for at bruge den halvlederføler, de udviklede til at detektere forskellige flygtige gasser relateret til sygdomme. Også, de sigter mod at konstruere en lille, bærbart sensorsystem til åndedrætsovervågning, der bruger mindre strøm end traditionelle IoT -gassensorer.