патент
№ RU 2675667
МПК G01N27/407

Способ селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений при помощи газового сенсора на основе органического полевого транзистора и устройство для селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений

Авторы:
Агина Елена Валериевна Яблоков Михаил Юрьевич Чекусова Виктория Петровна
Все (8)
Номер заявки
2017144284
Дата подачи заявки
18.12.2017
Опубликовано
21.12.2018
Страна
RU
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Чертежи 
5
Реферат

[83]

Использование: для определения наличия малых концентраций целевых газов. Сущность изобретения заключается в том, что способ селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений при помощи газового сенсора на основе органического полевого транзистора характеризуется тем, что измеряют величину тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени; рассчитывают величину порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени; рассчитывают величину относительного изменения подвижности носителей заряда и величину смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора; определяют детектируемое меркаптосодержащее и/или аминосодержащее соединение по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора; определяют концентрацию детектируемого меркаптосодержащего соединения по величине относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора. Технический результат: обеспечение возможности создания устройства для селективного измерения независимо друг от друга малых концентраций (от 10 ppb до 1 ppm) меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений в составе атмосферного воздуха или газовых смесей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула изобретения

1. Способ селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений при помощи газового сенсора на основе органического полевого транзистора, характеризующийcя тем, что:

измеряют величину тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени;

рассчитывают величину порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени;

рассчитывают величину относительного изменения подвижности носителей заряда и величину смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора;

определяют детектируемое меркаптосодержащее и/или аминосодержащее соединение по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора;

определяют концентрацию детектируемого меркаптосодержащего соединения по величине относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по величине смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени измеряют при постоянном напряжении на электроде «сток» органического полевого транзистора и пилообразном напряжении на электроде затвора органического полевого транзистора.

3. Устройство для селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений, включающее в себя:

газовый сенсор на основе органического полевого транзистора, состоящего из двух электродов, разделенных слоем органического полупроводника, электрода затвора и диэлектрического слоя;

измерительный блок, подключенный к газовому сенсору на основе органического полевого транзистора, при этом измерительный блок выполнен с возможностью измерения величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени;

микропроцессор, подключенный к измерительному блоку и выполненный с возможностью расчета величин порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени, расчета величины относительного изменения подвижности носителей заряда и величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора, определения детектируемого меркаптосодержащего и/или аминосодержащего соединения по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и определения концентрации детектируемого меркаптосодержащего соединения по величине относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по величине смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора;

герметичную камеру с газовым вводом и выводом, в которой размещены вышеупомянутые газовый сенсор, измерительный блок и микропроцессор.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что полупроводниковый слой органического полевого транзистора представляет из себя самоорганизующийся монослой, выполненный из кремнийорганических химически инертных растворимых в органических растворителях производных олиготиофенов, бензотиенобензотиофенов или бисфенилбитиофенов.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что толщина полупроводникового слоя органического полевого транзистора составляет 2-20 нм.

Описание

[1]

Область техники, к которой относится изобретение

[2]

Изобретение относится к газовым сенсорам на основе органических полевых транзисторов, способных определять наличие малых концентраций целевых газов.

[3]

Более конкретно изобретение относится к высокочувствительным газовым сенсорам для селективного определения концентрации токсичных химических газообразных соединений, содержащих меркапто- (HS-) и/или аминогруппу (NH2-) в диапазоне от 10 ppb до 1 ppm в окружающей среде.

[4]

Заявляемые газовые сенсоры могут использоваться в качестве ключевого элемента в различных стационарных, переносных и персональных газоанализаторах, применяемых в системах безопасности для мониторинга состояния воздуха. Датчики на основе газовых сенсоров также могут являться частью встраиваемых интеллектуальных систем, построенных по принципу IoT (Internet of Things, «Интернет Вещей») в рамках концепции «умного дома», а также для применения в сетях розничной торговли и пищевых складах для контроля порчи мяса и рыбы на ранних стадиях («Современные методы анализа мяса и мясопродуктов», Г.О. Ежкова, Издательство КНИТУ, Казань, 2013; СанПиН 2.3.2.560-96 «Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов»).

[5]

Уровень техники

[6]

Необходимость измерения низких концентраций токсичных соединений, содержащих меркапто- (HS-) - и/или аминогруппу (NH2-), существует для широкого набора промышленных и хозяйственных приложений. Так среднесуточная предельная допустимая концентрация (ПДК) в воздухе населенных пунктов составляет 0,04 мг/м3 (64 ppb) для аммиака и 0,008 мг/м3 (6 ppb) для сероводорода. Обнаружение превышения ПДК в жилых районах, расположенных вблизи промышленных объектов, является актуальной задачей.

[7]

В домашнем хозяйстве потребность высокоточного обнаружения токсичных соединений, содержащих меркапто- и/или аминогруппу, возникает, в частности, для определения порчи пищевых продуктов на ранних стадиях, когда измеряемые концентрации выделяющихся токсичных газов настолько малы, что их превышение невозможно обнаружить органолептически.

[8]

Применение газовых сенсоров на основе органических полевых транзисторов (ОПТ) в качестве ключевого элемента газоаналитических систем является наиболее оптимальным, поскольку, позволяет совместить высокую чувствительность с низким энергопотреблением, что делает возможным создание портативных микроэлектронных приборов.

[9]

Известен газовый сенсор на основе органического полевого транзистора, в структуру которого введен дополнительный второй диэлектрический слой, расположенный поверх электродов «сток», «исток» и органического полупроводника. В процессе работы устройства на поверхность второго диэлектрического слоя могут сорбироваться молекулы детектируемого химического соединения, что изменяет локальную диэлектрическую проницаемость и ведет к изменению электрического тока в устройстве. Селективность данного сенсора достигается за счет добавления на поверхность второго диэлектрика рецепторного слоя, специфичного для детектируемого химического соединения [заявка US 20090267057 A1, дата публикации 29.10.2009].

[10]

Недостаток данного сенсора заключается в том, что наличие второго диэлектрического слоя усложняет архитектуру устройства и технологию его изготовления, что в конечном итоге приводит к удорожанию сенсора.

[11]

Также известен газовый сенсор на основе полевого транзистора на основе поликристаллического кремния, в котором используется воздушный зазор с электрическим полем не менее 5000 В/см.

[12]

Данный газовый сенсор может использоваться для детектирования NH3, NO2, влажности или дыма в газовых и жидких средах. [патент RU 2398222 C2, дата публикации 07.07.2005].

[13]

Недостатком данного газового сенсора является его слабая чувствительность (порог детектирования находится выше 1 ppm), а также отсутствие селективности сенсора.

[14]

Известен газовый сенсор на основе органического полевого транзистора, изготовленного на твердой или гибкой подложке. Чувствительным элементом в устройстве является подзатворный диэлектрик, электрические свойства которого меняются при контакте с детектируемым химическим соединением в жидкой или газовой фазе [заявка ЕР 2239561 A1, дата публикации 13.10.2010].

[15]

Недостатком полученного таким образом газового сенсора является тот факт, что он может быть использован для детектирования лишь относительно высоких концентраций одиночного газа (аммиака) - от 100 ppm.

[16]

Известен химический сенсор на основе полевого транзистора, в котором содержится рецепторный слой на основе самоорганизующихся биомолекул, расположенный между полупроводниковым слоем и подложкой [патент US 9575029 B2, дата публикации 21.02.2017].

[17]

Основным недостатком такого сенсора является чувствительность рецепторного слоя на основе органического соединения к химическому и термическому воздействию, что усложняет нанесение поверх него других функциональных слоев, в частности, полупроводника, что увеличивает сложность и стоимость технологии изготовления сенсора.

[18]

Также известен газовый сенсор, изготовленный при помощи печатных методов, предназначенный для детектирования порчи пищевых продуктов. Чувствительным материалом сенсора является краситель на основе металлопорфиринов, взаимодействующий с нанопористым материалом-носителем. Импеданс материала-носителя меняется при взаимодействии с детектируемым газом, что используется для определения факта порчи пищи [заявка US 20170052160 A1, дата публикации 23.02.2017].

[19]

Недостатком заявленного метода является отсутствие селективности печатного сенсора.

[20]

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для детектирования малых концентраций оксида азота NO в жидкости или выдыхаемом воздухе, включающее в себя газовый сенсор на основе органического полевого транзистора, состоящего из пары электродов - «сток» и «исток», разделенных полупроводящим каналом, и органического полупроводника, электрода затвора, отделенного от полупроводника слоем диэлектрика, и рецепторного слоя, как минимум частично покрывающего органический полупроводник, процессор, соединенный с газовым сенсором. Важной особенностью устройства является тот факт, что в качестве сигнала сенсора используется не величина тока в канале транзистора, как это делается в большинстве сенсоров на основе ОПТ, а величина смещения порогового напряжения. Поскольку данная величина является более стабильной, чем ток, это позволило в значительной степени решить проблему дрифта базовой линии [патент US 8623281 B2, дата публикации 07.01.2014].

[21]

Недостатком данного устройства является низкая селективность сенсора, а также наличие дополнительного рецепторного слоя сложного химического строения, усложняющего изготовление сенсора и, как следствие, его стоимость.

[22]

Сущность изобретения

[23]

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании высокочувствительного устройства для селективного определения концентрации газов с применением газового сенсора на основе органического полевого транзистора, который может быть использован для измерения концентрации одного и/или двух газов, а именно аминосодержащих соединений, например, аммиака или иных химических соединений, содержащих аминогруппу, и меркаптосодержащих соединений, например, сероводорода или иных соединений, содержащих меркаптогруппу, в составе атмосферного воздуха или газовых смесей в диапазоне концентраций от 10 ppb до 1 ppm.

[24]

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении арсенала технических средств для измерения концентрации газов в воздушной среде, а именно в создании устройства для селективного измерения независимо друг от друга малых концентраций (от 10 ppb до 1 ppm) меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений в составе атмосферного воздуха или газовых смесей.

[25]

Технический результат достигается за счет того, что способ селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений при помощи газового сенсора на основе органического полевого транзистора характеризуется тем, что измеряют величину тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени; рассчитывают величину порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени; рассчитывают величину относительного изменения подвижности носителей заряда и величину смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора; определяют детектируемое меркаптосодержащее и/или аминосодержащее соединение по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора; определяют концентрацию детектируемого меркаптосодержащего соединения по величине относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора.

[26]

Кроме того, в частном случае реализации изобретения величину тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени измеряют при постоянном напряжении на электроде «сток» органического полевого транзистора и пилообразном напряжении на электроде затвора органического полевого транзистора;

[27]

Также технический результат достигается за счет того, что устройство для селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений включает в себя газовый сенсор на основе органического полевого транзистора, состоящего из двух электродов, разделенных слоем органического полупроводника, электрода затвора и диэлектрического слоя, измерительный блок, подключенный к газовому сенсору на основе органического полевого транзистора, при этом измерительный блок выполнен с возможностью измерения величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени, микропроцессор, подключенный к измерительному блоку и выполненный свозможностью расчета величин порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени, расчета величины относительного изменения подвижности носителей заряда и величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора, определения детектируемого меркаптосодержащего и/или аминосодержащего соединение по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и определения концентрации детектируемого меркаптосодержащего соединения по значению величины относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по значению величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора, герметичную камеру с газовым вводом и выводом, в которой размещены вышеупомянутые газовый сенсор, измерительный блок и микропроцессор.

[28]

Селективное определение концентрации газообразных соединений достигается за счет того, что различные электрические свойства газового сенсора на основе органического полевого транзистора изменяются при наличии в окружающей среде газов различного химического строения. При этом установлено, что изменение подвижности носителей заряда является индикатором наличия в окружающем воздухе меркаптосодержащих соединений, а изменение порогового напряжения открытия, при сохранении величины подвижности носителей заряда постоянной, является следствием наличия в окружающем воздухе аминосодержащих соединений.

[29]

Кроме того, в частном случае реализации изобретения слой органического полупроводника органического полевого транзистора представляет из себя самоорганизующийся монослой, выполненный из кремнийорганических химически инертных растворимых в органических растворителях производных олиготиофенов, бензотиенобензотиофенов или бисфенилбитиофенов.

[30]

Кроме того, в частном случае реализации изобретения толщина слоя органического полупроводника органического полевого транзистора составляет 2-20 нм.

[31]

Сведения, подтверждающие реализацию изобретения

[32]

Реализация изобретения подтверждается чертежами, на которых изображены:

[33]

на фиг. 1 - показана схема устройства для селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений;

[34]

на фиг. 2 - показана схема выполнения измерительного блока;

[35]

на фиг. 3 - показана форма сигнала напряжения Vg на затворе;

[36]

на фиг. 4 - показана вольтамперная характеристика органического полевого транзистора;

[37]

на фиг. 5 - показана зависимость изменения подвижности носителей заряда при взаимодействии меркаптосодержащего газообразного соединения с органическим полевым транзистором;

[38]

на фиг. 6 - показана зависимость изменения подвижности носителей заряда при взаимодействии аминосодержащего газообразного соединения с органическим полевым транзистором;

[39]

на фиг. 7 - показана зависимость величины относительного изменения подвижности носителей заряда от концентрации меркаптосодержащего газообразного соединения;

[40]

на фиг. 8 - показана зависимость величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора от концентрации аминосодержащего газообразного соединения;

[41]

На фиг. 1 позиции имеют следующие обозначения:

[42]

1 - газовый сенсор на основе органического полевого транзистора; 2 - электрод «сток»; 3 - электрод «исток»; 4 - слой органического полупроводника; 5 - электрод «затвор»; 6 - диэлектрический слой; 7 - микропроцессор; 8 - измерительный блок; 9 - герметичная камера.

[43]

На фиг. 2 позиции имеют следующие обозначения:

[44]

1 - газовый сенсор на основе органического полевого транзистора; 7 - микропроцессор; 8 - измерительный блок; 10 - источник питания; 11 - блокинг-генератор; 12 - блок синхронизации; 13 - датчик тока; 14 - усилитель.

[45]

Устройство для селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений, представленное на фиг. 1, включает в себя газовый сенсор на основе органического полевого транзистора 1, состоящего из электрода 2 - «сток», электрода 3 - «исток», разделенных слоем 4 органического полупроводника, электрода 5 - «затвор» и диэлектрического слоя 6, микропроцессор 7, измерительный блок 8, подключенный к газовому сенсору на основе органического полевого транзистора 1 и микропроцессору 7, герметичную камеру 9 с газовым входом и выходом, в которой размещены газовый сенсор на основе органического полевого транзистора 1, микропроцессор 7 и измерительный блок 8.

[46]

В предпочтительном варианте реализации изобретения измерительный блок 8 (фиг. 2) включает в себя блок питания 10, выход которого подключен ко входу блокинг-генератора 11, блок синхронизации 12, вход которого подключен к выходу блокинг-генератора 11, датчик тока 13, выход которого подключен ко входу усилителя 14. Выход блока питания 10 подключен к электроду 3 - «сток» газового сенсора на основе органического полевого транзистора 1, выход блокинг-генератора 11 подключен к электроду 5 -«затвор» 5 газового сенсора на основе органического полевого транзистора 1, вход датчика тока 13 подключен к электроду 2 - «исток» газового сенсора на основе органического полевого транзистора 1. Выход блока синхронизации 12 подключен к первому входу микропроцессора 7, а выход усилителя 14 подключен ко второму входу микропроцессора 7. Измерительный блок 8 обеспечивает возможность измерения величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени.

[47]

Микропроцессор 7 может быть выполнен на стандартной микроэлементной базе и снабжен программным обеспечением, обеспечивающим:

[48]

расчет величин порогового напряжения открытия органического полевого транзистора и подвижности носителей заряда в зависимости от времени по данным величины тока в канале органического полевого транзистора в зависимости от времени;

[49]

расчет величины относительного изменения подвижности носителей заряда и величины смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора;

[50]

определение детектируемого меркаптосодержащего и/или аминосодержащего соединения по значению величин относительного изменения подвижности носителей заряда и смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора;

[51]

определение концентрации детектируемого меркаптосодержащего соединения по величине относительного изменения подвижности носителей заряда и/или аминосодержащего соединения по величине смещения порогового напряжения открытия органического полевого транзистора.

[52]

Микропроцессор 7 соединен со средством вывода информации пользователю (монитор, дисплей и пр.) (на чертежах не показан).

[53]

В предпочтительном варианте реализации изобретения слой 4 органического полупроводника представляет из себя самоорганизующийся монослой и может быть выполнен из кремнийорганических химически инертных растворимых в органических растворителях производных олиготиофенов, бензотиенобензотиофенов или бисфенилбитиофенов, таких как, 1,3-бис[11-(5ʺ'-гексил-2,2':5',2ʺ:5ʺ,2'ʺ,-кватротиофен-5-ил)ундецил]-1,1,3,3- тетраметилдисилоксан, 1,3-бис[11-([1]бензотиено[3,2-b][1]бензотиен-2-ил)ундецил]-1,1,3,3-тетраметилдисилоксан, 1,3-бис[11-(7-гексил [1]бензотиено[3,2-b][1]бензотиен-2-ил)ундецил]-1,1,3,3-тетраметилдисилоксан, 1,3-бис[11-(4-{5-[4-(триметилсилил)фенил]-2,2-битиен-5-ил}фенил) ундецил]-1,1,3,3-тетраметилдисилоксан. Выполнение слоя 4 органического полупроводника не ограничивается приведенными выше примерами.

[54]

Слой 4 органического полупроводника может быть получен любым из известных методов, в частности, методом Ленгмюра-Блоджетт (Sizov A.S., Agina Е.V., Gholamrezaie F. [et. al.] Oligothiophene-Based Monolayer Field-Effect Transistors Prepared by Langmuir-Blodgett Technique // Applied Physics Letters. - 2013. - V. 103, №4. - P. 043310), методом Ленгмюра-Шеффера (Tanese M.C, Farinola G.M., Pignataro B. [et. al.] Poly(Alkoxyphenylene-Thienylene) Thin Films for Advanced Performance Transistors // Chemistry of Materials. - 2006. - V. 18, №3. - P. 778-784.), методом вращающейся подложки (Hall D.В., Underhill P., Torkelson J.M. Spin Coating of Thin and Ultrathin Polymer Films // Polymer Engineering and Science. - 1998. - V. 38, №12. - P. 2039-2045.), методом дозирующего лезвия (Yan Y., Huang L. В., Zhou Y. [et. al.] Self-Aligned, Full Solution Process Polymer Field-Effect Transistor on Flexible Substrates // Sci Rep. - 2015. - V. 5. - P. 15770), методом налива (Diao Y., Shaw L., Bao Z., Mannsfeld S. С.B. Morphology Control Strategies for Solution-Processed Organic Semiconductor Thin Films // Energy Environ. Sci. - 2014. - V. 7, №7. - P. 2145-2159).

[55]

В предпочтительном варианте реализации изобретения толщина слоя 4 органического полупроводника может составлять от 2 до 20 нм, что обеспечивает высокую чувствительность устройства. Поскольку электрический ток в устройстве локализован в тонком приповерхностном слое на границе «слоя 4 органического полупроводника - диэлектрического слоя 6», толщина слоя 4 органического полупроводника в диапазоне от 2 до 20 нм обеспечивает прямое взаимодействие детектируемого газа с полупроводниковым слоем 4. Нижняя граница указанного диапазона 2 нм соответствует минимальной толщине слоя 4 органического полупроводника, при которой органические полевые транзисторы демонстрируют электрические и газочувствительные свойства. Верхняя граница указанного диапазона 20 нм обеспечивает возможность детектирования низких концентраций целевых газов до 10 ppb. При увеличении толщины слоя 4 органического полупроводника чувствительность газового сенсора в ppb-диапазоне уменьшается.

[56]

В предпочтительном варианте реализации изобретения диэлектрический слой 6 может быть выполнен из термически выращенного сухого диоксида кремния, модифицированного самособирающимся монослоем (SAM - self-assembled monolayer) октилдиметилхлорсилана (ОДМС) или другого алкилхлорсилана, обеспечивающего достаточно низкую шероховатость (<0,5 нм) поверхности диэлектрического слоя 6.

[57]

Работа устройства для селективного определения концентрации газообразных меркаптосодержащих и/или аминосодержащих соединений осуществляется следующим образом.

[58]

В герметичную камеру 9 подается сухой воздух с содержанием одного из токсичных химических газообразных соединений, содержащих меркапто- (HS-) или аминогруппу (NH2-), в концентрациях от 10 ppb до 1 ppm. На электрод 3 - «сток» при помощи источника питания 10 измерительного блока 8 (фиг. 2) подается постоянный отрицательный потенциал Vd, на электрод 5 - «затвор» при помощи блокинг-генератора 11 измерительного блока 8 (фиг. 2) подается потенциал пилообразной формы амплитудой νg, периодом Т (фиг. 3). Величины Vd и νg подбираются так, чтобы электрическое поле в диэлектрическом слое 6 составляло не менее 50 кВ/мм, а электрическое поле в слое 4 органического полупроводника не менее 0,5 кВ/м. Для каждого из N последовательных периодов Ti(i=0..N-1) длительностью Т при помощи датчика тока 13 и усилителя 14 измерительного блока 8 измеряют величину тока Id в канале органического полевого транзистора 1 в зависимости от времени t Далее, при помощи микропроцессора 7, синхронизованного по времени с блокинг-генератором 11 при помощи блока синхронизации 12 измерительного блока 8, на основании имеющихся значений величины тока Id и Vg от времени устанавливается зависимость Id от Vg для каждого из N последовательных периодов Ti. Для каждой из N зависимостей при помощи микропроцессора 7 производится ее аппроксимация теоретическим выражением (Horowitz G. Organic Field-Effect Transistors // Advanced Materials. - 1998. - V. 10, №5. - P. 365-377.) методом наименьших квадратов (МНК) по формуле (1):

[59]

[60]

где Id - ток в канале органического полевого транзистора, А;

[61]

μ - подвижность носителей заряда; см2 /(B×c);

[62]

VT - пороговое напряжение открытия, при котором начинает расти ток, В (фиг 3);

[63]

Vg - напряжение на электроде 2 «затвор», В;

[64]

С - емкость единицы площади диэлектрического слоя 5, в нФ см-2);

[65]

W и L - ширина и длина слоя 3 органического полупроводника соответственно, м.

[66]

Типичная вольтамперная характеристика органического полевого транзистора 1 показана на фиг. 4.

[67]

Для каждого из периодов Ti при помощи микропроцессора 7 рассчитываются величины подвижности носителя заряда μi и порогового напряжения VTi по формуле (1).

[68]

Далее, при помощи микропроцессора 7 рассчитываются относительное изменение подвижности носителей заряда по формуле (2):

[69]

[70]

где μотн - относительная подвижность носителей заряда, см2 /(B×c);

[71]

μN-1 - подвижность носителей заряда на (N-1)-om периоде напряжения Vg, см2 /(B×c);

[72]

μ0 - подвижность носителей заряда на нулевом периоде напряжения Vg, см2 /(B×x)

[73]

И смещение порогового напряжения открытия органического полевого транзистора 1 ΔVT по формуле (3):

[74]

[75]

где ΔVT - смещение порогового напряжения открытия органического полевого транзистора, В;

[76]

VT N-1 - пороговое напряжение открытия органического полевого транзистора на (N-1)-ом периоде напряжения Vg, В;

[77]

VT 0 - пороговое напряжение открытия органического полевого транзистора на нулевом периоде напряжения Vg, В.

[78]

Возможность различать различные классы детектируемых химических соединений при помощи заявляемого устройства обусловлена тем фактом, что при взаимодействии меркаптосодержащего газообразного соединения с газовым сенсором на основе органического полевого транзистора 1 меняется относительная подвижность носителей заряда μотн в слое 4 органического полупроводника (фиг. 5), в то время как при взаимодействии аминосодержащего газообразного соединения с газовым сенсором на основе органического полевого транзистора 1 относительная подвижность носителей заряда μотн в слое 5 органического полупроводника остается постоянной (фиг. 6). При этом концентрация меркаптосодержащего газообразного соединения может быть определена по величине относительного изменения подвижности носителей заряда μотн (фиг. 7), а концентрация аминосодержащего газообразного соединения может быть определена из величины смещения порогового напряжения открытия ΔVT (фиг. 8).

[79]

Полученные величины μотн и ΔVT анализируются при помощи микропроцессора 7. При 1>μотн>0,9 и ⎪ΔVT⎪>0,2 ⎪ΔVTмакс, где |ΔVT|макс - максимальное смещение порогового напряжения в соответствии с калибровочной кривой (фиг. 8), детектируемое соединение принадлежит к классу аминосодержащих газообразных соединений. При 0<μотн<0,9 детектируемое соединение принадлежит к классу меркаптосодержащих газообразных соединений.

[80]

Далее по значениям величин μотн и ΔVT определяется концентрация детектируемого соединения с использованием калибровочных кривых (фиг. 7 и фиг. 8), предварительно занесенных в память микропроцессора 7, по следующему алгоритму. Если детектируемое соединение принадлежит к классу аминосодержащих газообразных соединений, то на калибровочной кривой смещения порогового напряжения от концентрации (фиг. 8) ищется точка, ордината которой лежит ближе всего к полученному значению ΔVT, и ее абсцисса считается измеренным значением концентрации. Если детектируемое соединение принадлежит к классу меркаптосодержащих газообразных соединений, то на калибровочной кривой относительного изменения подвижности носителей заряда от концентрации (фиг. 8) ищется точка, ордината которой лежит ближе всего к полученному значению μотн , и ее абсцисса считается измеренным значением концентрации.

[81]

Установленный класс детектируемого соединения, а также его измеренная в соответствии с алгоритмом концентрация выводится пользователю.

[82]

Реализация заявляемого способа возможна ввиду различий механизмов взаимодействия аминосодержащих и меркаптосодержащих соединений с органическим полевым транзистором. Это происходит вследствие различий в величинах дипольных моментов, констант диссоциации и донорно-акцепторных свойств для соединений двух этих классов между собой. В частности, дипольный момент молекулы аммиака выше, чем дипольный момент молекулы сероводорода, константа диссоциации сероводорода выше, чем для аммиака, аммиак является сильным донором электронов, в то время как сероводород является слабым донором электронов. Взаимодействие по донорно-акцепторному механизму, характерное для аминосодержащих соединений, приводит к смещению порогового напряжения, тогда как дополнительное взаимодействие с диссоциировавшими молекулами, характерное для меркаптосодержащих соединений, приводит к изменению контактных сопротивлений в слое органического полупроводника и, как следствие, к изменению подвижности носителей заряда.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты