专利名称：一种基于场效应管的纳米流体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米流体传感器，特别是可以将纳米通道中介质导电性 的微小变化放大为场效应管漏极电流波动的纳米流体传感器。
背景技术：
目前，纳米流体传感器采用纳米孔介质连接两个流体池单元，沿纳米孔长度方向施加偏转电压产生离子电流，当DNA分子(异质介质)通过纳米孔 的时候，由于DNA分子的堵塞将引起电流的微弱变化，此时可以通过检测纳 米通道中离子电流的变化，进而判断通道中的DNA分子，这种检测离子电流 的原型器件可以用于DNA测序和药物筛选。但当溶液浓度达到1M时，所形 成的离子电流仅为纳安(W)级，这需要使用法拉第笼(Faraday cage)以及其 它相当精密的测量设备才能检测到，目前纳米通道模拟生物分子自然环境的 低浓度溶液可能仅会产生皮安(;^)级的电流，这使得由单分子本身产生的电 流更加难以检测。发明内容为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种可以将介质导电性的 微小变化放大为场效应管漏极电流的波动，灵敏度高的基于场效应管的纳米 流体传感器。本发明包括场效应管栅极，在场效应管栅极上设置纳米通道，在纳米通 道的两侧分别连接左右微米通道，由微米通道中介质、纳米通道中介质和正 负电极组成栅极控制回路；所述栅极控制回路的电阻由纳米通道中介质的电 阻i 和两个微米通道中介质的电阻及,、A串联组成。本发明的栅极电压由纳米通道中介质的导电性控制。本发明将纳米通道 中介质导电性的微小变化放大为效应管漏极电流的波动。本发明采用上述结构，在场效应管栅极上分别加正负电压，施加正电压 的一极称为源极，施加负电压的一极称为漏极，场效应管的控制电压——栅 极电压由栅极控制回路中的局部电势控制。当异质介质由微米通道进入纳米 通道时，对微米通道中介质的电阻的改变很小，而对纳米通道中介质的电阻 影响较大，由此引起栅极控制回路中电势分布的改变，从而改变场效应管的 栅极电压，此时场效应管的漏极电流产生波动。因此，通过检测场效应管的 漏极电流的波动可以检测到纳米通道中介质导电性的微小变化。本发明具有以下有益效果基于场效应管的纳米流体传感器，通过检测 漏极电流的变化代替直接检测纳米通道中介质电流的微小变化，能够精确测 定纳米通道中介质导电性的变化。基于场效应管的放大原理，灵敏度将大大 提高。实现了纳米流体传感器的广泛应用，大大节约了检测的成本。
图1是本发明的原理示意主视图。 图2是图1的俯视图。
具体实施方式
在图中，1、纳米通道，2、源极，3、漏极，4、左微米通道，5、场效应 管栅极，6、右微米通道，7、 5/02绝缘层，8、高惨杂N+型区或高掺杂P+型 区，9、 P型薄硅片衬底或N型薄硅片衬底。如图1所示，在场效应管栅极5上设置一个纳米通道1和左微米通道4、 右微米通道6，左微米通道4、右微米通道6分别连接在纳米通道1的两端， 在场效应管栅极5上分别加正负电极构成栅极控制回路；所述场效应管栅极5 控制回路的电阻由纳米通道1中介质的电阻i 和左微米通道4、右微米通道6 中介质的电阻^、 A串联组成。纳米通道l中介质的电阻/ 由5/02绝缘层7的 表面电荷密度决定，场效应管栅极5的电压由栅极控制回路中的局部电势控 制。在图2中，当异质介质由左微米通道4或右微米通道6进入纳米通道1 时，对左微米通道4和右微米通道6中介质电阻改变很小，而对纳米通道1 中介质电阻影响较大。因此当异质介质由左微米通道4或右微米通道6进入 纳米通道1时会引起场效应管栅极5电势的改变，从而引起漏极3电流的波 动。通过检测漏极3电流的波动，就可检测到纳米通道1中介质导电性的微 小变化。在图1可以看到，在S/"绝缘层7的一侧连接P型薄硅片衬底9或N型 薄硅片衬底9。绝缘珊场效应管的基本模式包括NPN结和PNP结两种，即在 P型薄硅片衬底9上通过离子注入两个高掺杂N+型区8，形成NPN结；或者 是在N型薄硅片衬底9上通过离子注入两个高掺杂P+型区8，形成PNP结。本发明拟采用集成场效应管和纳米流体通道来实现对纳米通道中介质导 电性的检测。在场效应管栅极5上设置一个纳米通道1和左微米通道4、右微 米通道6，左微米通道4、右微米通道6分别连接在纳米通道1的两端，在场 效应管栅极5上分别加正负电压构成栅极控制回路。纳米通道1中介质的电 阻i 和左微米通道4、右微米通道6中介质的电阻i ,、 ^串联组成栅极控制回 路的电阻。在场效应管栅极5上分别加正负电压，构成栅极控制回路，栅极 电压由微米通道和纳米通道中局部电势控制。当通道内缓冲溶液浓度为lmM 时，纳米通道l的电阻由&^绝缘层7的表面电荷密度决定。实验测试表明， 长度5/zw、直径20"m的纳米通道1中介质电阻大约在10 100xl(P欧姆的量级， 作为对比，栅氧化层电阻率的最小值为10"o/^.cm，对于20"附宽、5戶长的栅 氧化层来讲，估算的栅氧化层电阻仍在1017欧姆量级，因此微米通道和纳米通 道中介质电阻至少比栅氧化层电阻低三个数量级。通道内的电势分布将决定 场效应管的栅电势。当异质介质分别由左微米通道4、右微米通道6进入纳米 通道l时，对左微米通道4、右微米通道6中介质的电阻改变很小，而对纳米 通道1中介质电阻影响较大，从而引起微米通道和纳米通道中电势分布的改 变，这个变化导致栅极电压的变化。因此，纳米通道1中介质导电性的微小 的变化放大为漏极3电流的变化。基于场效应管的放大原理，通过检测漏极3 电流代替直接检测纳米通道1中介质电流的变化，传感器的灵敏度将大大提 高。譬如用来检测纳米通道1中的生物大分子，通过检测漏极3电流代替直 接检测纳米通道1中由离子自身形成的离子电流，能够精确测定占位比在
5/100000生物分子，远高于基于天然"-溶血素的单分子传感器分辨率，目前 基于天然"-溶血素的单分子传感器所能测定生物分子的占位比在1/100至 5/1000。因此，相对于传统的"基于检测离子电流的传感器"只能检测到浓度 较大溶液的电流变化的信号且不能研究不同溶液浓度对生物分子迁移率的影 响，本发明用来检测纳米流体生物大分子时，可研究不同溶液浓度下，生物 分子在通过纳米通道时对基准电流的调制规律，从而可精确测定生物分子的 迁移率、抗原一抗体的结合反应及实现对DNA片断长度的精确测定。
权利要求
1.一种基于场效应管的纳米流体传感器，包括场效应管栅极，其特征是在场效应管栅极(5)上设置纳米通道(1)，在纳米通道(1)的两侧分别连接左右微米通道(4)、(6)，由微米通道中介质、纳米通道中介质和正负电极组成栅极控制回路；所述栅极控制回路的电阻由纳米通道(1)中介质的电阻R和两个微米通道(4)、(6)中介质的电阻R1、R2串联组成。
2. 根据权利要求1所述的基于场效应管的纳米流体传感器，其特征是 栅极电压由纳米通道中介质的导电性控制。
3. 根据权利要求1所述的基于场效应管的纳米流体传感器，其特征是-纳米通道中介质导电性的微小变化放大为效应管漏极电流的波动。
全文摘要
一种基于场效应管的纳米流体传感器，涉及一种纳米流体传感器，特别是可以将纳米通道中介质导电性的微小变化放大为场效应管漏极电流波动的纳米流体传感器。本发明包括场效应管栅极，在场效应管栅极上设置纳米通道，在纳米通道的两侧分别连接左右微米通道，由微米通道中介质、纳米通道中介质和正负电极组成栅极控制回路；所述栅极控制回路的电阻由纳米通道中介质的电阻R和两个微米通道中介质的电阻R<sub>1</sub>、R<sub>2</sub>串联组成。本发明目的是提供了一种可以将介质导电性的微小变化放大为场效应管漏极电流的波动，灵敏度高的基于场效应管的纳米流体传感器。
文档编号C12Q1/68GK101130750SQ20071002561
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月8日 优先权日2007年8月8日
发明者武 仲, 杨决宽, 王玉娟, 葛艳艳, 敏 陈, 陈云飞 申请人:东南大学