Improving performance in 3-terminal artificial olfactory sensor system for electrical nose

Abstract

Sensors for detecting odor molecules have been studied and reported employing various mechanisms such as chemical reaction sensors, resistive sensors, and field effect sensors. Conventional sensors are based on one-to- one matching with the target molecule, which can have limitations in selectivity and sensitivity. To overcome these problems and improve the sensor's performance, a multi-array thin-film transistor (TFT) with a polymer selector was studied. It was shown that the sensitivity and selectivity were significantly enhanced by the optimization of a device design, specific polymer selector thickness, and a measurement method. For the enhancement of the artificial olfactory system, the thickness of the polymer was varied to increase the sensitivity and the selectivity over which odor molecules can be detected. Since different types of polymers have various degrees of polarity, dielectric constant, molecular structure, and functional groups, these can be used to selectively detect odor molecules. In addition, the thickness of the polymer changes the electrical properties of the TFT by altering the overall capacitance value, the strength of the London force, the influence of polarization, and the absorption rate. As the polymer thickness varied, the response speed to odorant molecules varied. When detecting two types of odorants that have a similar chemical property or structure, the polymer thickness of the highest response speed was the same. The thickness at which the response speed was maximized was different from the thickness at which the reactivity was maximized. By comparing the radiation patterns of response and correlation coefficients of the TFT arrays, the optimal thickness of PAS was 210 nm, PS was 65 nm, SAA was 55 nm, and PVB was 35 nm. The sensor arrays were fabricated based on the optimized thickness of each polymer. Finally, the hardware budget and performance were optimized. The performance of the TFT sensors with polymer selectors was improved by controlling the TFT driving method. Drain current value and its response contrast of TFT were different corresponding to specific gate voltage when the sensor was exposed to odorant molecules. Among various gate bias conditions, a floating state of the gate showed the highest value of sensitivity and selectivity. Also, by applying a negative voltage to the gate in the recovery region, the recovery time was significantly reduced. This research could be applied to human-mimicking electronic noses, biosensors, and portable gas detectors.

Keywords: Polymer thickness, Floating state, Polymer artificial olfactory Sensor, IGZO TFT|냄새 분자를 감지하기 위한 센서로 화학반응 센서, 저항형 센서, 전계형 센서 등 다양한 메커니즘을 바탕으로 한 연구가 보고되고 있다. 종래의 센서는 감지 분자와 일대일 매칭이 기본이 되며, 선택성과 민감도에 한계가 있다. 이러한 문제를 극복하고 센서의 성능을 향상시키기 위해 고분자 셀렉터가 있는 다중 배열 박막 트랜지스터(TFT)를 연구하였다. 소자 설계, 고분자 셀렉터 두께 및 측정 방법의 최적화를 통해 감도와 선택성을 크게 향상시켰다. 인공 후각 시스템의 성능 향상을 위해, 고분자의 두께를 조절하여 냄새 분자를 감지할 수 있는 감도와 선택성을 높였다. 고분자 종류에 따라 극성의 정도, 유전율, 분자구조, 작용기가 다름을 이용하여 냄새 분자를 특이적으로 검출할 수 있다. 또한 고분자의 두께에 따라 전체 전기용량 값, 분산력의 세기, 분극의 영향, 흡수율이 달라져 TFT의 전기적 특성이 달라진다. 고분자의 두께가 달라짐에 따라, 냄새 분자에 대한 반응속도가 달라짐을 확인하였다. 화학적 특성이 비슷한 두 종류의 냄새 분자를 감지할 때, 반응 속도가 가장 빠른 고분자의 두께는 동일하였다. 반응 속도가 최대가 되는 두께는 반응성이 최대가 되는 두께와 달랐다. TFT 어레이의 응답 패턴과 상관 계수를 비교한 결과, 최적의 PAS 두께는 210nm, PS는 65nm, SAA는 55nm, PVB는 35nm로 나타났다. 각 고분자의 최적화된 두께를 바탕으로 센서 어레이를 제작하였다. 최종적으로, 하드웨어 예산과 성능을 최적화하였다. 고분자 셀렉터가 적용된 TFT 센서의 성능은 TFT 구동 방식을 제어하여 개선하였다. 센서가 냄새 분자에 노출되었을 때, 게이트 전압에 따라 TFT의 드레인 전류와 그 응답 비율이 달라졌다. 다양한 게이트 전압 조건 중, 플로팅 상태일 때 가장 높은 감도 및 선택성을 가졌다. 또한 회복 영역에서 게이트에 음의 전압을 인가하면 회복 시간이 크게 단축됨을 확인하였다. 본 연구는 인간의 후각기관을 모방한 전자 코나 바이오 센서 및 휴대용 가스검지기 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

키워드: 고분자 두께, 플로팅 상태, 고분자 인공 후각센서, IGZO 박막 트랜지스터