具有多單元層構(gòu)造的化敏電阻器型氣體傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的多單元層氣體傳感器如下構(gòu)建：通過層疊化敏電阻器型氣體傳感元件(CH1，CH2)，并貫穿各傳感元件提供孔洞以使氣體可以從一個傳感元件通過傳感層(52)傳遞至下一傳感元件。通過對不同的傳感層選擇適當(dāng)?shù)牟牧辖M合，并通過以下方式改變不同氣體傳感元件的操作條件，可以獲得豐富的數(shù)據(jù)組，所述方式為：在傳感層的不同組合物激活時、在給定傳感層加熱至不同溫度或根據(jù)不同的加熱曲線進(jìn)行加熱時、和/或在選定傳感層暴露至UV光時獲取測量結(jié)果。通過施加時長受控的UV脈沖可以增加傳感器的靈敏性和選擇性，并且可以基于開始UV照射時傳感層的瞬時響應(yīng)檢測目標(biāo)氣體物質(zhì)。各傳感元件(CH1，CH2)可以具有微熱板構(gòu)造。
【專利說明】具有多單元層構(gòu)造的化敏電阻器型氣體傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體傳感器領(lǐng)域，更具體而言，涉及化敏電阻器型氣體傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體傳感器用于許多應(yīng)用，尤其是需要檢測或識別特定氣體的情形以及需要確定氣體混合物組成的情形。在本文中，除非語境需要，否則術(shù)語“氣體”用來指代某一氣體物質(zhì)(species)以及不同氣態(tài)物質(zhì)的混合物，通用術(shù)語“表征”用來指代識別或檢測特定氣體的方法和確定氣體組成的方法。應(yīng)理解的是，本文中提及“氣體樣品”通常包括提及提供至氣體傳感器的任何氣體(不管是離散樣品還是使傳感器暴露至環(huán)境氣態(tài)介質(zhì))。
[0003]已經(jīng)使用不同的傳感技術(shù)開發(fā)傳感器，包括化敏電阻器型氣體傳感器，如基于半導(dǎo)體金屬氧化物的那些傳感器。圖1是說明半導(dǎo)體金屬氧化物型氣體傳感器I的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的截面示意圖。
[0004]如圖1所示，半導(dǎo)體金屬氧化物型氣體傳感器I具有由半導(dǎo)體金屬氧化物制成的傳感層2，其設(shè)置在基體4支承的絕緣層3上。當(dāng)傳感器I暴露至氣體時，氣體顆粒G可以吸附在傳感層2的表面上，可以發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，導(dǎo)致傳感層2的阻抗(電導(dǎo)、電容、電感或這些參數(shù)中的多個)變化。這種阻抗變化使用與傳感層2接觸設(shè)置的一對測量電極5進(jìn)行測量。通常通過以下方式進(jìn)行測量:在測量電極之間施加電勢差，并監(jiān)測傳感層表現(xiàn)出的阻抗如何變化。測量電極所產(chǎn)生的信號波形為與傳感層2反應(yīng)的氣體所特有，通常，由感興趣的氣體產(chǎn)生的波形在分析未知氣體樣品之前的講授階段學(xué)習(xí)。
[0005]通常，需要將傳感層2加熱至相對較高的溫度(特別是250°C以上，取決于形成傳感層的材料和要檢測的氣體物質(zhì))，以觀察有用的吸附現(xiàn)象。因此，這種類型的常見氣體傳感器還包括加熱器6和溫度傳感器(圖1中未示出)。在已進(jìn)行測量后，激活加熱器6來將活性層加熱至高溫，即高于通常的運行溫度以引發(fā)吸附顆粒的脫附，由此清潔傳感器I并用于隨后的測量。
[0006]本領(lǐng)域的一個目標(biāo)是能夠構(gòu)建微型傳感器，也就是小型化氣體傳感器，特別是足夠小至能夠集成至日常用具(如移動電話、面罩或智能玩具等)的那些傳感器。要求微型傳感器應(yīng)當(dāng)具有足夠高的性能，即微型傳感器應(yīng)當(dāng)能夠快速地且以足夠高的準(zhǔn)確度檢測目標(biāo)氣體，和/或確定氣體混合物的組成。
[0007]半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器由于可實施為微型傳感器而吸引了特別關(guān)注，因為半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器可利用集成電路制造領(lǐng)域中已知的技術(shù)而建造為小型化形式。
[0008]近年來，已經(jīng)開發(fā)出具有“微熱板”結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體金屬氧化物型氣體傳感器。圖2(a)是說明具有微熱板結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體金屬氧化物型氣體傳感器10的常見結(jié)構(gòu)的截面示意圖。從圖2(a)可以看出，傳感器10的基體14具有鏤空部17，從而使傳感層12不再位于與基體14的厚部對準(zhǔn)的位置。因此，用于加熱傳感層12的加熱器16僅需加熱較少量的材料(包括相對較薄的支承膜M)，這減少了氣體傳感器消耗的能量，還能夠使傳感層2的溫度快速升高(由此降低進(jìn)行測量所需的時間，也降低清潔傳感層所需的時間)。此外，這種快速加熱還對形成傳感層的材料造成較少損害。
[0009]圖2(b)和圖2(c)示出了具有兩種不同類型的微熱板構(gòu)造的傳感器。
[0010]在圖2(b)的傳感器20中，傳感器22形成在絕緣層23上，絕緣層23又位于基體24上。導(dǎo)體28從測量電極和加熱器引出，與設(shè)置在基材24上的電極墊29接觸。另有接線(未示出)將電極墊連接至另一電路，尤其是加熱器的電流源以及用于處理測量電極測得的信號的電路。圖2(b)的傳感器20具有“封閉”型構(gòu)造，其中，基體24具有支承絕緣層23的連續(xù)表面。
[0011]圖2(c)示出的傳感器30具有“懸浮”型結(jié)構(gòu)，其中，基體34為具有中央開口 37a的框架式形狀，傳感器32及其絕緣層33懸浮在開口上方。
[0012]通常，由單一半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器元件本身獲得的測量結(jié)果不足以以足夠的準(zhǔn)確度鑒別氣體，因為此類傳感器元件的選擇性趨于較低。因此，通常這些傳感元件以多個傳感元件并排放置的陣列使用，而且陣列中的各個元件具有形成其傳感層的不同材料。由整個陣列獲得的測量結(jié)果組形成了數(shù)據(jù)點云，這些數(shù)據(jù)點可以使用統(tǒng)計技術(shù)處理，以確定是否存在給定氣體，和/或確定接觸陣列的氣體混合物是何種組成?？梢哉J(rèn)為測量結(jié)果組代表一種指紋，其是分析氣體中存在的氣態(tài)物質(zhì)性質(zhì)及其濃度的表征。
[0013]半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感元件陣列的選擇性和/或檢測準(zhǔn)確性可以通過增加統(tǒng)計處理中使用的數(shù)據(jù)點的數(shù)目而得到改善，例如在暴露至給定氣體樣品時通過從陣列的各傳感元件中獲取多個測量結(jié)果進(jìn)行改善。這相當(dāng)于獲得代表氣體樣品的更詳細(xì)的指紋。已知各種技術(shù)來從半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感元件陣列中的各傳感元件中獲得多個測量結(jié)果，通常，這些技術(shù)包括在取得各種測量結(jié)果時改變應(yīng)用的操作條件，例如:通過在多于一個操作溫度下測量各傳感器元件的阻抗，和/或在對傳感層施加不同的溫度變化曲線時測量各傳感器元件的阻抗；通過在暴露至氣體樣品時在不同時刻對傳感層阻抗進(jìn)行取樣；通過在同時或非同時暴露至紫外光來測量傳感層的阻抗；等等。
[0014]盡管已經(jīng)開發(fā)出使用半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感技術(shù)且具有微熱板構(gòu)造的微型傳感器來滿足對小型化和測量速度的要求，不過，對改善由此類微型傳感器所產(chǎn)生結(jié)果的準(zhǔn)確性還存在持續(xù)的需求。
[0015]使用化學(xué)電阻器技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出其他的微型傳感器，尤其是使用導(dǎo)電性聚合物的微型傳感器。期望的是，也對由這些傳感器所產(chǎn)生結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的優(yōu)選實施方式提供了一種具有多單元層結(jié)構(gòu)的化學(xué)電阻器型氣體傳感器，其從通常的氣體樣品中收集不同的測量結(jié)果，能夠基于新的數(shù)據(jù)點組確定氣體組成和/或身份(identity)。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)選實施方式提供了 一種具有改善性能的化學(xué)電阻器型氣體傳感器，尤其是檢測目標(biāo)氣體的準(zhǔn)確性增加，且確定氣體樣品組成的準(zhǔn)確性得到改善(在適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)階段之后)。
[0018]更具體而言，本發(fā)明提供了一種如所附的權(quán)利要求1限定的氣體傳感器，以及所附權(quán)利要求12限定的氣體傳感器的操作方法。[0019]在本發(fā)明的氣體傳感器中，多單元層構(gòu)造的采用提供了一種生成能夠用于表征分析氣體的測量結(jié)果的新手段。氣體傳感器中的至少一個第一單元層(storey)包含半導(dǎo)體金屬氧化物或?qū)щ娦跃酆衔餁怏w傳感元件，該元件在分析氣體已經(jīng)接觸傳感器中的第二單元層后暴露至該氣體。所述第二單元層承載激活時改變其所暴露至的氣體樣品的特性的材料層(layer)。與第一單元層的傳感層接觸的氣體的精確組成可以通過選擇性激活第二單元層的選擇激活性材料的層來改變。通過在激活第二單元層的選擇激活性材料的時刻測量第一單元層的氣體傳感元件的響應(yīng)，與使用僅由第一單元層構(gòu)成的常規(guī)單層構(gòu)造的情況相t匕，可以收集不同的數(shù)據(jù)點(測量結(jié)果)。這提供了一種生成可以包含在表征分析氣體的統(tǒng)計處理中的數(shù)據(jù)點組的新方法。因此，在設(shè)計適用于特定用途的氣體傳感器時提供了另外的自由度。
[0020]本發(fā)明的多單元層構(gòu)造不僅可以用來生成不同的測量結(jié)果(與使用常規(guī)單層構(gòu)造收集的測量結(jié)果相比)，還用來增加收集的測量結(jié)果的數(shù)量，從而提高氣體傳感器產(chǎn)生的結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0021]通過在獲取測量結(jié)果的時刻應(yīng)用基于現(xiàn)有技術(shù)傳感器中已經(jīng)執(zhí)行的那些技術(shù)來改變操作條件，實施本發(fā)明的氣體傳感器可以確保生成令人滿意的在氣體樣品的分析/表征過程中使用的測量結(jié)果的數(shù)量，尤其是通過以下條件下獲取測量結(jié)果:在半導(dǎo)體金屬氧化物(或?qū)щ娦跃酆衔?傳感層和/或選擇激活性材料層保持在不同溫度和/或經(jīng)受不同的加熱曲線的時刻、在半導(dǎo)體金屬氧化物(或?qū)щ娦跃酆衔?傳感層和/或選擇激活性材料層接觸UV照射的時刻和在其未暴露至此種照射等的時刻。此外，如下文所述，通過使用多單元層構(gòu)造可以進(jìn)行某些另外的新技術(shù)。
[0022]在本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式中，層疊兩個以上的化學(xué)電阻器型氣體傳感器元件來形成多單元層結(jié)構(gòu)體，使分析氣體順序經(jīng)過不同的單元層，從而使到達(dá)后續(xù)單元層的氣體的組成受到先前單元層的氣體傳感層的存在和操作的影響。此種層疊結(jié)構(gòu)體在氣體傳感器暴露至氣體樣品時以各種方式提供了產(chǎn)生豐富的測量結(jié)果組的可能性，這些方式包括但不限于:
[0023]a)在整個氣體傳感器器件中，對于不同單元層的傳感層，選擇特定的材料組合；
[0024]b)在激活層疊體中傳感層的特定組合(其他組合未激活)時獲取測量結(jié)果；和
[0025]c)對當(dāng)層疊體一個位置的傳感層發(fā)生特定的阻抗變化時與當(dāng)層疊體不同位置的傳感層發(fā)生相關(guān)的阻抗變化時之間的時間差進(jìn)行測量。
[0026]不同傳感層中使用的特定的材料組合可以根據(jù)特定的目標(biāo)應(yīng)用而定制，例如:其可以根據(jù)可能要遇到的氣體的預(yù)期組成而定制，并進(jìn)行優(yōu)化以便能夠檢測(或測量其濃度)特定的目標(biāo)氣態(tài)物質(zhì)；等等。
[0027]在本發(fā)明的一些實施方式中，第二單元層的選擇激活性材料不形成氣體傳感元件的一部分，也就是，不存在與該材料相連的測量轉(zhuǎn)換器。在這些實施方式中，可以認(rèn)為承載選擇激活性材料的單元層是一類在必要時可以打開或關(guān)閉的有源濾波器。在這些實施方式中，各種不同的配置可用于相對于氣體傳感元件第一單元層的傳感層放置第二單元層的選擇激活性材料。在一個可能的配置中，可以在第一和第二單元層之間界定出空腔(chamber),并使第二單元層的選擇激活性材料和第一單元層的傳感層均位于該空腔中，設(shè)置在相對壁上。在另一可能的配置中，可使膜/襯底位于第二單元層的選擇激活性材料和與第一單元層的傳感層接觸的間隔物之間，并在該膜/襯底中設(shè)置開口以使氣體能夠從第
二單元層傳遞到第一單元層。
[0028]實施本發(fā)明的氣體傳感器(更一般地是化敏電阻器型氣體傳感器)的選擇性和靈敏性可以通過以下途徑得到提高:對傳感器中的至少一個傳感層施加脈沖式UV照射(而非持續(xù)UV接觸)，并保證UV脈沖的性質(zhì)適應(yīng)于形成傳感層的材料，適應(yīng)于要檢測的目標(biāo)氣體，并適應(yīng)于操作條件。在第二方面中，本發(fā)明提供了一種如所附的權(quán)利要求18所述的氣體傳感器，以及如所附的權(quán)利要求19所述的氣體傳感器的操作方法。
[0029]用于表征氣體的測量數(shù)據(jù)可以通過分析瞬態(tài)效應(yīng)而得到，所述瞬態(tài)效應(yīng)在傳感器暴露至氣體樣品且打開UV輻照時在氣體傳感器的響應(yīng)中能夠觀察到。在第三方面中，本發(fā)明提供了如所附的權(quán)利要求20所述的氣體傳感器，以及如所附的權(quán)利要求21所述的氣體傳感器的操作方法。
[0030]在本發(fā)明的一些實施方式中，有利的是使用微熱板結(jié)構(gòu)來支承氣體傳感元件的傳感層，以獲得對氣體傳感層的快速加熱和清潔。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]本發(fā)明的上述和其他特征、優(yōu)勢和應(yīng)用將通過以下對以非限制性實例給出的其【具體實施方式】和附圖的描述而變得顯而易見，其中:
[0032]圖1是示意性示出了半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器的一般結(jié)構(gòu)的截面圖；
[0033]圖2顯示了圖示出具有微熱板構(gòu)造的半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器的一般結(jié)構(gòu)的圖，其中:
[0034]圖2(a)是圖示出微熱板型構(gòu)造的總體結(jié)構(gòu)的截面圖，
[0035]圖2(b)圖示了“封閉”型微熱板構(gòu)造，和
[0036]圖2 (C)圖示了 “懸浮”型微熱板構(gòu)造；
[0037]圖3示意性圖示了層疊化敏電阻器型的氣體傳感元件以形成本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的多單元層氣體傳感器；
[0038]圖4是圖3所示的氣體傳感元件的部分分解圖；
[0039]圖5圖示了本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的多單元層氣體傳感器；
[0040]圖6圖不了在本發(fā)明的第一實施方式中串聯(lián)安裝氣體傳感兀件的第一方案；
[0041]圖7圖示了在本發(fā)明的第一實施方式中串聯(lián)安裝氣體傳感元件的第二方案；
[0042]圖8圖示了具有多單元層結(jié)構(gòu)的氣體傳感器，其包括氣體傳感元件的層疊陣列；
[0043]圖9圖示了小型氣體微傳感器裝置，其包括在本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方式中串聯(lián)排列的氣體傳感元件；
[0044]圖10圖示了多單元層氣體傳感器，其中兩個氣體傳感元件在單一襯底上背對背排列地串聯(lián)安裝；
[0045]圖11圖示了多單元層氣體傳感器，其中相繼的氣體傳感元件彼此相隔；
[0046]圖12是本發(fā)明第二實施方式的示意圖，其中化敏電阻器型氣體傳感元件與下述材料串聯(lián)排列，該材料能夠受激活而改變氣體傳感元件所檢測的氣體特性；
[0047]圖13是第二實施方式的第一變型的示意圖；
[0048]圖14是第二實施方式的第二變型的示意圖；[0049]圖15是第二實施方式的第三變型的示意圖；
[0050]圖16A和16B圖示了通過控制傳感層暴露至紫外光的時間而增加氣體傳感器的靈敏性和選擇性的新技術(shù)，其中:
[0051]圖16A示出了適用于該新技術(shù)的UV脈沖的實例；
[0052]圖16B示出了用于測量所施加的UV脈沖的作用的測試配置；
[0053]圖17A?17C示出了使用圖16B的測試配置獲得的實驗結(jié)果，其中:
[0054]圖17A示出了當(dāng)半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器在不施加UV、持續(xù)接觸UV和暴露至?xí)r長受控的UV脈沖時，暴露至空氣+H2S的情況下獲得的結(jié)果；
[0055]圖17B示出了當(dāng)氣體傳感器在不施加UV、持續(xù)接觸UV和暴露至觸時長受控的UV脈沖時，暴露至空氣+NH3的情況下獲得的結(jié)果；
[0056]圖17C在濃度為百萬分之一份的氣體樣品的情況下比較圖17A和17B獲得的結(jié)果;
[0057]圖18圖示了在開始暴露至紫外光時于傳感層的響應(yīng)中觀察到的瞬態(tài)效應(yīng)，其中:
[0058]圖18A示出了在測試含有H2S的樣品期間的傳感器響應(yīng)；和
[0059]圖18B示出了在測試含有NH3的樣品期間的傳感器響應(yīng)；和
[0060]圖19圖示了本發(fā)明的第一方面的其他不同構(gòu)造，其中串聯(lián)安裝了兩個傳感元件。
【具體實施方式】
[0061]現(xiàn)將參照圖3?19描述本發(fā)明的某些目前優(yōu)選的實施方式。
[0062]本發(fā)明目前優(yōu)選的第一實施方式如圖3?5所示。根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方式，通過層疊兩個(以上)氣體傳感元件CHl和CH2形成多單元層結(jié)構(gòu)，來構(gòu)建多單元層化敏電阻器型氣體傳感器。圖3示出了氣體傳感元件CHl和CH2如何相對于彼此排列。圖4是各個氣體傳感元件CHl和CH2(省略了基底(base substrate))的結(jié)構(gòu)的分解透視圖，圖5圖示了包含圖3所示的層疊的氣體傳感元件CHl和CH2的氣體傳感器總體結(jié)構(gòu)，并指示了通過傳感器的氣體流動。
[0063]圖3?5圖示了兩個氣體傳感元件的層疊，不過應(yīng)該理解的是，本發(fā)明還可以實施為層疊了兩個以上氣體傳感元件的實施方式。
[0064]如圖3和4所示，各個傳感元件CHl和CH2包括由半導(dǎo)體金屬氧化物制成的傳感層52，該傳感層52支承在膜結(jié)構(gòu)53上。傳感層可以由各種材料制成，包括但不限于Sn02、In203、Zn0、Ru02、W03和AB2O4 (尖晶石型氧化物)；還可以使用催化性材料(通常與上述氧化物混合)，如鉬、銠和金等；并且可以使用具有傳感和催化性質(zhì)的材料，如二氧化鈦。作為另一種選擇，如果傳感層由導(dǎo)電性聚合物制成，則其可以由各種材料制成，包括但不限于，具有所需摻雜的聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚(苯乙炔)(poly(phenyl vinlene))和聚(3，4-乙烯-二氧噻吩)。
[0065]本發(fā)明并非特別限制于沉積傳感材料(和任何催化性材料)所用的技術(shù)。眾所周知，所沉積的傳感/催化性材料的表面性質(zhì)影響傳感器的功效；由物理氣相沉積(PVD)產(chǎn)生的納米顆粒和多孔性表面收獲了良好的功效。通常，考慮到功效，沉積技術(shù)將適應(yīng)于要沉積的具體材料。層52的厚度根據(jù)沉積技術(shù)不同，在使用PVD時通常為IOOnm?lOOOnm，在其他方式下為10 μ m?100 μ m (但是這些值可以不同)。[0066]在圖3和4所示的實例中，膜結(jié)構(gòu)體由絕緣材料(如SiO2、或Si3N4、或SiOxNy或SiNx)的三個薄層53ρ532、533構(gòu)成。薄層53p532夾持著加熱器(如下所述)，并用來將該加熱器與其他組件隔離。層533用作支承上方疊層的膜。通過由不同材料形成所述層，可以降低該多單元層膜結(jié)構(gòu)體中的應(yīng)力。在該實例中，層53i由SiO2制得，層532由SiNx制得，且層533由SiO2制得。
[0067]膜結(jié)構(gòu)體53安裝在基底54上，基底54的邊緣相對較厚但具有凹部57，以提供微熱板結(jié)構(gòu)。在圖3所示的實例中，凹部57采取的是貫穿基底的開口的形式。不過，該微熱板結(jié)構(gòu)仍然是圖2(a)所示的“封閉”型，因為膜結(jié)構(gòu)體53覆蓋了基底54的開口。通?；?4由硅晶片制成，因為Si晶片可以使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝高精度地加工制得。
[0068]如圖3所示，孔洞58貫穿膜結(jié)構(gòu)體53設(shè)置。作為另一選擇，組成膜結(jié)構(gòu)體53的層可以是多孔的。在該實例中，孔洞/孔58具有10 μ m的直徑，不過本發(fā)明不限于該值。
[0069]由于氣體傳感兀件CHl和CH2具有封閉型的微熱板結(jié)構(gòu)，且由于孔洞58 (或孔)與傳感層52對準(zhǔn)設(shè)置，所以通過氣體傳感器50的氣體將穿過各個傳感層52，使各個傳感層52與氣體樣品的接觸最大化。首先，這將趨于使氣體對該傳感層52的電特性方面產(chǎn)生的任何效果最大化，其次，這將趨于增加流至下一單元層的氣體的變化。
[0070]如前一段所述，有利的是使孔洞58位于傳感器的活性區(qū)域內(nèi)(即與傳感層52對準(zhǔn))。不過，孔洞58的位置可以改變。如果所有孔洞58均在活性區(qū)域外，則傳遞至下一單元層的氣體將在其通過當(dāng)前的單元層時發(fā)生較小的改變，不過其仍將可以測量氣體從本單元層擴(kuò)散到下一單元層所花費的時間。
[0071]在各個傳感元件CHl和CH2中，測量電極55與各傳感層52接觸設(shè)置，以檢測傳感層在暴露至氣體時的電特性變化。根據(jù)形成半導(dǎo)體金屬氧化物的材料性質(zhì)以及氣體樣品中存在的氣態(tài)物質(zhì)而發(fā)生的具體變化，通常由改變該傳感層阻抗的氧化反應(yīng)和/或還原反應(yīng)組成。如上所述，通常需要加熱傳感層，以發(fā)生可評估的吸附(和氧化/還原)。因此，在絕緣層53i和532之間設(shè)置加熱器56。加熱器本身還可以用作監(jiān)測電阻變化的溫度傳感器。盡管在附圖中未示出，各個氣體傳感元件CHl和CH2還包含不同的溫度傳感器，以便能夠監(jiān)測由傳感層52實現(xiàn)的溫度。
[0072]在該實例中，測量電極由Pt與下方的Ti粘附層制得，并采取了兩個部分為大致圓形的互鎖型導(dǎo)體元件的形式(如圖4所示)。實際上，測量電極55具有數(shù)目比圖4所示更多的互鎖的環(huán)形部分。在該實例中，各個測量電極為0.2μπι厚、ΙΟμπι寬，且測量電極以IOym相互間隔。測量電極55的精確位置和形狀可以不同。不過，在該實例中，測量電極55的位置和形狀使得其能夠良好地配置，以檢測傳感層52的電特性的預(yù)期變化。
[0073]類似地，在該實例中，加熱器56采取了大致為環(huán)形元件的形式，其位于傳感層52的下方。在該實例中，與測量電極類似，加熱器56由Ti/Pt制成，不過，在加熱器56的情況中，Ti/Pt形成了包括導(dǎo)電通路的加熱器圖樣，該導(dǎo)電通路自身折彎以形成一系列巢狀回路。通常，加熱器圖樣的導(dǎo)電通路為0.2μπι厚且20μπι寬。除了 Ti/Pt之外，還可以使用其他材料作為加熱器56，例如，多單元層耐火性導(dǎo)體(Mo、Ta和W等)和多晶硅。
[0074]加熱器56和溫度傳感器的精確定位可以不同。不過，在如圖3和4所示將加熱器與傳感層的位置對準(zhǔn)設(shè)置并成型時，從加熱器56到傳感層52的熱傳遞特別有效。在該實例中，加熱器56通過膜53i與傳感層52隔開，以保證加熱器56與測量電極55電隔離。[0075]在使用具有圖4所示配置的測量電極55和加熱器56的一個實例中，絕緣層53i和532為約0.5 μ m厚的SiO2和SiNx的層，另一絕緣體層533為約0.8 μ m厚的SiO2層，襯底54為邊緣為300 μ m?500 μ m厚的硅晶片。在該實例中，由ZnO制得的傳感層52可以極為快速(特別地為30毫秒)地達(dá)到500°C的溫度。
[0076]可以使用任何常規(guī)技術(shù)來制造傳感元件CHl和CH2。
[0077]如圖3所示，傳感元件CHl和CH2彼此層疊。通常，傳感層52是多孔的，因為其具有粒狀結(jié)構(gòu)，或者由納米顆粒、納米棒、納米線或納米管制成。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，傳感層52具有納米顆粒結(jié)構(gòu)，因為此類結(jié)構(gòu)的表面積與體積的比率較高，由此提供了較大的表面積，其上可以與測試的氣體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)傳感元件CHl (或傳感元件CH2)的傳感層52暴露至氣體樣品時，由于傳感層是多孔的，氣體將滲透進(jìn)入并穿過傳感層52。
[0078]在本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方式中，孔洞58貫穿層53p532和533，以使?jié)B透傳感層52的氣體經(jīng)過貫穿相關(guān)氣體傳感元件的全部路徑。因此，氣體將在到達(dá)下一氣體傳感元件(稱之為CHl)的傳感層52之前通過前一傳感元件(稱之為CH2)的傳感層52?？锥?8可以在半導(dǎo)體制造中使用標(biāo)準(zhǔn)工藝制成(例如，使用光刻法和反應(yīng)離子蝕刻等)。在一種變體結(jié)構(gòu)中，下方的層53p532和533是多孔的，則不必提供孔洞58。附帶提及，在凹部57通過襯底54的薄部橫跨在膜結(jié)構(gòu)體53下方時，孔洞58可以設(shè)置在該襯底部分中，或者其也可以由多孔材料制成。
[0079]通過一個氣體傳感元件(如CH2)的氣體發(fā)生改變，此類改變特別地依賴于傳感層中使用的氧化物或?qū)щ娦跃酆衔锏念愋?、傳感層的溫度、暴露至UV照射的作用(如果存在)和施加至傳感層上的溫度-時間曲線。因此，由下一氣體傳感元件(如CHl)的測量電極55測得的信號將不僅依賴于該氣體傳感元件CHl的傳感層中的氧化物或?qū)щ娦跃酆衔锏男再|(zhì)以及其操作條件(溫度、暴露至任何UV照射、施加的溫度-時間變化和電壓的頻率等)，還依賴于前一單元層的氣體傳感元件中的氧化物或?qū)щ娦跃酆衔锏男再|(zhì)以及其操作條件。
[0080]圖5圖示了基于圖3的層疊傳感器的氣體傳感器的總體結(jié)構(gòu)。使用虛線所示的箭頭圖示了通過該傳感器的氣體流動。如圖5所示，氣體傳感元件CHl和CH2層疊在具有入口(用于接收待分析的氣體)和出口的外殼65內(nèi)部的基底60上?；?0可以例如由玻璃制成，外殼65由PTFE制成，但是本發(fā)明并不限于這些材料。根據(jù)分析氣體樣品要穿過的氣體傳感元件的數(shù)目，可能需要或必要的是，使用泵等來迫使氣體循環(huán)通過氣體傳感器。不過，如下文所述，通過使氣體樣品能夠簡單地擴(kuò)散通過氣體傳感器，可以產(chǎn)生有用的測量結(jié)果。據(jù)信，簡單擴(kuò)散而非強(qiáng)制循環(huán)應(yīng)當(dāng)足以在可以接受的時間范圍內(nèi)于使用兩個或三個層疊氣體傳感元件的氣體傳感器中實現(xiàn)令人滿意的測量結(jié)果。
[0081]根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方式，可以使用許多不同的配置層疊氣體傳感元件。圖6?11圖不了一些可能的配置。
[0082]圖6示出了在氣體入口和氣體出口之間串聯(lián)排列(層疊)了 4個氣體傳感元件的配置，并在外殼中設(shè)置了發(fā)光二極管以便能夠使用紫外光照射氣體傳感元件。可以看出，弓丨腳線穿過外殼側(cè)壁，用于連接各氣體傳感元件的加熱器和測量電極與外部電路(以及實際中在需要時可以為溫度傳感器設(shè)置另外的引腳線)。
[0083]在圖6的配置中，可以將LED排列為照射外殼中的全部傳感元件，特別通過在允許UV通過的膜/絕緣層(例如，極薄的層，特別是至多約2μπι厚的層)上支承各單元層的傳感層來進(jìn)行照射。作為另一選擇，如果需要用UV光照射部分傳感層而非全部，則可以在外殼中的適當(dāng)位置上提供UV阻擋層。
[0084]圖7圖示了在插接式半導(dǎo)體裝置用標(biāo)準(zhǔn)T05型支撐體上安裝的兩個層疊的氣體傳感元件和氣體連接器。
[0085]圖8圖示了層疊有氣體傳感元件陣列的多單元層構(gòu)造。在該實例中，一個2x2半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器陣列層疊在另一 2x2陣列上。不過，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不限于該層疊陣列的尺寸，也不限于該層疊體中包括的陣列數(shù)目。另外，并不排除改變一個單元層到下一單元層的陣列尺寸。
[0086]圖9圖示了一個小型裝置，其包括本發(fā)明第一實施方式的氣體傳感器以及驅(qū)動該氣體傳感元件并處理其輸出值的電路。該小型裝置采取了大小約為lcmX2.5cm的膠囊形式,還包括多個氣體傳感元件(特別是2~7個層疊的氣體傳感元件)。
[0087]圖10圖示了使用單個支承襯底54順次安裝兩個氣體傳感元件的裝置。有利的是，將不同的材料用于兩個氣體傳感元件的傳感層52和52’。
[0088]圖11圖示了氣體傳感器裝置，其中多單元層結(jié)構(gòu)中的串聯(lián)的氣體傳感元件由可能的間隔元件(由圖11的虛線框表示)彼此隔開。該構(gòu)造體通過以下事實而與已知的裝置(包含一系列氣體可通過的空腔，各空腔中具有不同的傳感器)不同:在到達(dá)下游氣體傳感元件CH2之前，迫使通過該裝置的氣體通過上游氣體傳感元件CHl的傳感層/膜，由此在氣體到達(dá)下游傳感元件之前改變該氣體。
[0089]盡管圖11示出了取向為相對于第一氣體傳感元件CHl鏡面圖像取向的第二氣體傳感元件CH2，可以理解的是，兩個元件在氣體流動路徑上以相同的取向排列。另外，可以理解的是，三個以上的氣體傳感元件可以以圖11所示的方式相互連接。
[0090]盡管圖3~8、10或11未示出，本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的氣體傳感器中的測量電極55、加熱器56和溫度傳感器均連接至(或適于連接至)其他電路，特別是使用此處不需描述的公知技術(shù)而用于提供電流和獲取測量結(jié)果的電路。
[0091]值得的是提出本發(fā)明特有的下述特征。
[0092]a)如何“垂直”排列各傳感材料(即在各單元層中)
[0093]通常，將本發(fā)明的多單元層裝置中材料的數(shù)目和選擇以及它們在不同單元層上的相對位置關(guān)系設(shè)計為，以根據(jù)特定的目標(biāo)應(yīng)用的方式增加整個傳感器裝置的判別能力。本領(lǐng)域技術(shù)人員基于其公知常識，特別是考慮到不同氣體與不同半導(dǎo)體金屬氧化物和導(dǎo)電性聚合物材料的反應(yīng)性，可以容易地想起多種配置。出于說明性目的，下文給出了關(guān)于下述事項的實例:如何通過選擇材料組合物用于本發(fā)明的多單元層傳感器中的不同單元層的傳感器中，來使在存在干擾氣體時對目標(biāo)氣體的判別更為各易。
[0094]所有氣體對導(dǎo)電性聚合物和金屬氧化物氣體傳感材料(如ZnO、SnO2、In2O3等)具有不同的反應(yīng)性。當(dāng)目標(biāo)氣體存在于反應(yīng)性較高的干擾氣體中時，將非常難以判別對特定材料具有較低反應(yīng)性的氣體。例如，非常難以區(qū)分H2S氣氛中的NH3,因為H2S比NH3反應(yīng)性更高。根據(jù)先前的研究，H-SH的鍵能為381KJ/mol，而!1-順2的鍵能為450KJ/mol。另外，兩個NH3分子通過與ZnO表面上吸附的氧反應(yīng)而釋放3個自由電子。另一方面，一個H2S分子通過該反應(yīng)釋放3個自由電子。結(jié)果,對于ZnO傳感材料,H2S比NH3反應(yīng)性更高。不過,如下所述，使用本發(fā)明的多單元層構(gòu)造能夠選擇性地檢測NH3。[0095]例如，假設(shè)存在兩種傳感材料。一個是材料A，對H2S和NH3分別顯示出約90%反應(yīng)性和10%反應(yīng)性。另一個是材料B，對H2S和NH3分別顯示出約60%反應(yīng)性和40%反應(yīng)性。此處提到的術(shù)語“反應(yīng)性”是指定量表示多少分子可以在金屬氧化物傳感材料表面上分解為非活性氣體的參數(shù)。例如，NH3可以在ZnO表面上分解為H2O和N2, H2S可以在該表面上分解為H2O和S02。使用這兩種材料A和B，在H2S氣氛中將不能生成較大的NH3測量信號。不過，如果傳感材料垂直排列，也就是在本發(fā)明的多單元層構(gòu)造的后續(xù)單元層中排列，則可以生成較大的NH3測量信號。
[0096]假設(shè)材料A形成頂部單元層(氣體通過該頂部單元層進(jìn)入)中的傳感層，而材料B形成底部單元層(接收通過頂部單元層后的氣體)中的傳感層。在這種情況下，氣體可以僅通過材料A而到達(dá)材料B的表面。假設(shè)各有1000個分子的NH3和H2S通過上述材料。當(dāng)1000個H2S分子通過材料A時，900個分子分解為H2O和S02。另一方面，在同一條件下的NH3的情況中，僅由100個分子分解為H2O和N2。這意味著，與H2S分子的數(shù)目相比，數(shù)目更多的NH3分子可以到達(dá)并與材料B反應(yīng)。在上述實例中，900個NH3分子可以到達(dá)材料B，但僅有100個H2S分子可以到達(dá)材料B。因此，與H2S的信號相比，NH3的測量信號相對增加。這是一個基礎(chǔ)的實例，即材料如何進(jìn)行選擇，以確保氣體傳感器裝置對反應(yīng)性比干擾氣體更低的氣體有良好的選擇性。如上所述，根據(jù)特定的應(yīng)用，傳感材料及其相對位置可以有多種組合。
[0097]b)如何使用多單元層構(gòu)造體的各傳感器的選擇性激活
[0098]本發(fā)明提供的多單元層構(gòu)造體的優(yōu)點之一在于，該結(jié)構(gòu)體可以利用通過串聯(lián)排列的傳感器的氣體擴(kuò)散性的差異(進(jìn)行氣體辨別)。通過各單元層的擴(kuò)散性依賴于傳感層材料本身及其操作溫度。因此，重要的是使用了何種材料，還重要的是操作溫度如何。這意味著，操作順序?qū)τ诳刂茢U(kuò)散性而言非常重要。多單元層構(gòu)造體可以根據(jù)溫度以不同的操作順序使用。為了除去目標(biāo)氣體的干擾氣體，應(yīng)當(dāng)很好地控制操作溫度。不過，對于特定應(yīng)用順序情況可以經(jīng)實驗確定。
[0099]c)相繼的傳感元件的反應(yīng)間的時間差的測量
[0100]在包括至少兩個層疊的氣體傳感元件的實施方式中，可以實施一種其他技術(shù)來增加要分析的數(shù)據(jù)點云的大小，該技術(shù)來源于多單元層構(gòu)造體的使用，并由以下方面構(gòu)成:測量構(gòu)造體中一個單元層的傳感層與分析氣體反應(yīng)的時刻與下一單元層(如氣體流動方向的下一單元層)中的傳感層與氣體具有的相當(dāng)反應(yīng)的時刻的時間差。當(dāng)不強(qiáng)制氣體流動時，該時間差可以是氣體穿過“一個”單元層的傳感層的擴(kuò)散速率特性，并且，考慮到各種氣態(tài)物質(zhì)穿過不同材料的擴(kuò)散速率已知的事實，該時間差可以用作幫助鑒別分析樣品中的氣體的附加參數(shù)。
[0101]由測量電極產(chǎn)生的波形具有不同的特征點，例如梯度急驟改變的點。最適合用作測量上述時間差的參照的具體特征點趨于根據(jù)具體應(yīng)用而改變。在一個實例中，將tl時間測量為對應(yīng)于氣體流動路徑上首先遇到的上部單元層的測量電極的信號輸出中首次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點的時刻(該時刻對應(yīng)于該單元層的傳感層和分析氣體之間的反應(yīng)開端)，將t2時間測量為對應(yīng)于氣體流動路徑中的下一單元層的測量電極的信號輸出中首次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點的時刻(該時刻對應(yīng)于該下一單元層的傳感層與分析氣體之間的反應(yīng)開端)。時間差t2_tl是膜和氣體的特性，特別是，t2_tl受到在氣體流動路徑中至少是在前單元層中的傳感材料52、層53i?533中孔洞/孔的大小以及兩個傳感層間距的影響?？梢允褂梅瓶硕珊筒煌瑲怏w的已知擴(kuò)散系數(shù)值來鑒別氣體。
[0102]在分析氣體包括超過一種物質(zhì)的情況下，測量電極的響應(yīng)通常包括氣體傳感層與這些不同氣態(tài)物質(zhì)的反應(yīng)所特有的各種不同的特征值(特別是，不同的轉(zhuǎn)折點)。因此，在這種情況下，通過測量一個單元層的測量電極響應(yīng)中的相應(yīng)特征與下一單元層的測量電極響應(yīng)中的等效特征值之間的時間間隔，可以生成各氣態(tài)物質(zhì)的數(shù)據(jù)。
[0103]d)如何產(chǎn)生數(shù)據(jù)點富集的組
[0104]本發(fā)明的第一實施方式能夠使用小型結(jié)構(gòu)體快速生成數(shù)據(jù)點富集的組。用于表征氣體的測量結(jié)果組中的數(shù)據(jù)點的數(shù)目和種類可以通過多種方式提高，特別是:
[0105]-通過增加氣體傳感元件的數(shù)目；
[0106]-通過增加形成傳感層的不同材料的數(shù)目；
[0107]-通過改變可施加在各傳感層的操作條件，特別是:操作溫度、是否暴露至UV光、施加不同的操作溫度-時間變化曲線(特別是，在不同溫度下施加包括短間隔的曲線，并測量傳感層的短時反應(yīng))、對測量電極施加脈沖電勢差以及改變脈沖頻率等。
[0108]本發(fā)明并不具體限于實施以下方法:通過改變本發(fā)明的多單元層裝置中各傳感層的操作條件來生成數(shù)據(jù)點。以下方面可以做出不同選擇:是否同時改變單一傳感器或多個傳感器的操作條件；在改變特定傳感器的操作條件時，是否從全部傳感器或一個小組的傳感器測量輸出信號；隨著操作條件改變，獲取不連續(xù)的測量結(jié)果(例如對于施加在傳感器組的操作條件的各種配置獲取一組或多組不連續(xù)的測量結(jié)果)或連續(xù)的測量結(jié)果；等等。例如，通過同時對裝置中的各個傳感器施加不同的溫度曲線并從全部單元層的測量電極測量輸出結(jié)果，可以生成多個數(shù)據(jù)點。通常，可以將施加在各傳感器上的不同操作條件定制為特定的施加條件，以優(yōu)化該裝置的辨別性能。
[0109]通過關(guān)注將傳感層(或選擇激活性材料)保持在特定溫度所需的能量，可以在本發(fā)明的實施方式中生成另外的測量結(jié)果。更具體而言，在氣體接觸傳感層(或選擇激活性材料)時發(fā)生的一些反應(yīng)可能是吸熱的，而另一些反應(yīng)可能是放熱的。此種反應(yīng)過程中的熱變化改變了加熱器所需的能量，從而將相關(guān)的傳感層(或選擇激活性材料)維持在額定操作溫度。能夠檢測到這種改變，并將其用作分析中的氣體樣品特性的另一指標(biāo)。此外，本發(fā)明下述的第二實施方式中可以應(yīng)用該技術(shù)。
[0110]可以應(yīng)用基于使用脈沖UV光的多種令人感興趣的新技術(shù)，來增加上述氣體傳感器的靈敏性和選擇性，甚至總體上增加化敏電阻器氣體傳感器的靈敏性和選擇性(即甚至無需使用多單元層構(gòu)造)?，F(xiàn)將參照圖16?18來描述這些新技術(shù)。
[0111]已經(jīng)提出，在獲取測量結(jié)果的時段中，使半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器連續(xù)暴露至紫外光。另外，已經(jīng)提出，施加脈沖式UV光，以降低能量消耗。不過，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過施加脈沖UV而不是連續(xù)的UV，并通過對特定的氣體定制脈沖特性，考慮操作溫度和傳感材料的性質(zhì)，可以顯著增加半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器對不同氣體的靈敏性和選擇性。據(jù)信，由于下述原因而出現(xiàn)了該現(xiàn)象。
[0112]氣體分子具有不同的結(jié)構(gòu)，并且這些分子的各種鍵具有不同的結(jié)合能。例如，在H2S分子中，H-SH鍵的鍵能為381kJ/mol，在NH3分子中，H-NH2的鍵能為450kJ/mol。當(dāng)在暴露至氣體時對半導(dǎo)體金屬氧化物傳感器施加UV光脈沖時，激活分子所需的脈沖時長隨氣體種類而不同。對于給定的氣體，似乎存在最佳的UV照射時長，以使經(jīng)測量電極檢測的響應(yīng)于傳感材料而可觀察到的效應(yīng)最大化。
[0113]使用具有ZnO傳感層的單一半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器進(jìn)行實驗。有效的是，采用光敏性金屬氧化物(如ZnO)的特定性質(zhì)。使該傳感器接著暴露至由清潔的干燥氣體(相對濕度0%)構(gòu)成的測試氣氛，并暴露至在不同條件下包含不同量H2S的氣態(tài)氣氛。在該情況中，使傳感材料暴露至以200cm3/分鐘的速率穿過傳感器的連續(xù)氣流。
[0114]在第一組實驗中，在暴露至測試氣體的同時，使ZnO層暴露至波長為385nm、具有圖16A所示的常見波形的UV光脈沖。在各情況中，在各UV脈沖開始后90ms (如圖16A的箭頭M所指)測量ZnO傳感層的響應(yīng)。在第二組實驗中，在暴露至同一組測試氣體的同時，使ZnO層暴露至波長同樣為385nm的連續(xù)UV照射。該實驗在沒有UV暴露的情況下重復(fù)第三次。
[0115]考慮到ZnO的帶隙而將UV脈沖的波長設(shè)置為385nm。載流子跨越ZnO帶隙所需的能量在25V為3.3eV，其對應(yīng)于UV波長為376nm?；诶碚撚嬎?，可以預(yù)料，376nm以下的UV波長應(yīng)當(dāng)可以用于UV脈沖，從而提供用于跨越ZnO帶隙的足夠能量；而且，實際上可使用波長為365nm的UV脈沖進(jìn)行成功的實驗。不過，實踐中發(fā)現(xiàn)，使用385nm的UV脈沖也可產(chǎn)生可用的效應(yīng)。通常，有利的是，基于跨越考慮中的傳感材料的帶隙所需的能量來設(shè)置所施加的UV脈沖的波長。
[0116]在包括脈沖UV的測試中，在各UV脈沖結(jié)束后的100毫秒，存在20毫秒的時段來將ZnO傳感材料加熱到530°C (如圖16A中虛線TP所指)。在使用連續(xù)UV和不使用UV的測試中以類似的次數(shù)施加相當(dāng)于20毫秒的加熱時間。這些短促的加熱將改善測量信號返回到其基線值。
[0117]在這些實驗中，使用圖16B所示的電阻分壓器結(jié)構(gòu)測量ZnO傳感層的響應(yīng)。圖16B所示的電阻Rs表示傳感層ZnO的電阻，電阻RL表示與ZnO傳感層串聯(lián)連接的參照電阻器。在這些實驗中，RL為2.74兆歐姆，且所示的直流電源提供了 3.3伏特的電壓。將ZnO傳感層和參照電阻器RL之間的點的電壓供應(yīng)至可編程增益放大器，該增益放大器又將放大信號供應(yīng)到微控制器，并且每分鐘測量一次。計算最近四次的測量結(jié)果的平均值，來表示ZnO傳感層的響應(yīng)，并在20分鐘時段內(nèi)檢測該響應(yīng)。
[0118]順帶提及，應(yīng)理解的是圖16B僅僅是用來評估傳感層電阻的測量電路的一個實例。圖16B的電路可以做出多種改進(jìn)(例如，可將放大器的輸出值供應(yīng)到低通濾波器，然后供應(yīng)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，或者甚至可使用其他電路布置。
[0119]通過評估參數(shù)Ra/Rg可以使傳感器對H2S的靈敏性量化，其中Ra是ZnO傳感材料在暴露至干燥空氣時的電阻，Rg是暴露至包含H2S的氣氛時的同一電阻。使用分別以0.1份/百萬(ppm)、0.5ppm和1.0ppm的濃度包含H2S的不同氣體樣品進(jìn)行實驗。結(jié)果如圖17A所示。
[0120]從圖17A可以看出，氣體傳感器對H2S的靈敏性在沒有暴露至UV光時最低，該靈敏性在連續(xù)暴露UV下獲取測量結(jié)果時稍有改善(可能加倍)，不過靈敏性在使用圖16A的UV脈沖(時長為100ms、占空比為10%)照射傳感器時有較大改善——約5?17倍。
[0121]使用具有改變量的NH3的空氣(使用NH3濃度為lppm、5ppm和IOppm)的氣態(tài)氛圍來重復(fù)上述實驗，在其他方面條件不變。結(jié)果如圖17B所示。[0122]如圖17B可以看出，氣體傳感器對NH3的靈敏性在使用圖16A的UV脈沖照射傳感器時增加。不過，氣體對H2S的靈敏性在施加UV脈沖時的增長明顯大于在NH3的情況中獲得的靈敏性增長。
[0123]圖17C圖示了在以1.0份/百萬(ppm)的濃度包含H2S的氣體樣品中觀察到的靈敏性的增長與在以1.0ppm的濃度包含NH3的氣體樣品中觀察到的靈敏性的增長之間的關(guān)系?？梢钥闯?，對于H2S觀察到的靈敏性的增長是對于NH3觀察到的靈敏性增長的1000倍量級。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到，通過施加UV脈沖，可以使氣體傳感器對H2S的選擇性(即與其他氣體相比傳感器優(yōu)先對H2S的響應(yīng)性)急劇增加。
[0124]據(jù)認(rèn)為，施加選定波長的UV脈沖(該脈沖的時長根據(jù)目標(biāo)氣體適當(dāng)設(shè)置，并且有利地考慮操作條件設(shè)置)，即使在檢測與H2S和NH3不同的氣態(tài)物質(zhì)且傳感材料不同于ZnO時，也將使氣體傳感器靈敏性得到改善，條件是在選定的操作溫度下與選定的傳感材料相關(guān)的目標(biāo)氣態(tài)物質(zhì)的激活能在適于由該UV波長下的脈沖提供的范圍內(nèi)。合適的傳感材料包括其他半導(dǎo)體金屬氧化物材料(如高溫下的TiO2或SnO2等)和半導(dǎo)體硫?qū)倩衔?如CdS和ZnS等)，以及選定的導(dǎo)電性聚合物。UV脈沖的最佳時長和/或占空比依賴于目標(biāo)氣態(tài)物質(zhì)、選定的傳感材料、所施加的UV脈沖的波長以及操作溫度。
[0125]可以采用這種施加特別設(shè)計的UV脈沖來改善氣體傳感器靈敏性和選擇性的技術(shù)，以使特定的氣體傳感器能夠用于辨別多種氣體。更具體而言，氣體傳感器可以設(shè)置有控制模塊，其被配置為將施加在氣體傳感器的傳感層的UV脈沖的時長和/或占空比設(shè)置為不同值，這些值各自適于增加傳感層對各不同氣態(tài)物質(zhì)的選擇性(通過實驗并考慮目標(biāo)氣態(tài)物質(zhì)以及選定的傳感材料和為該選定的傳感材料選擇的UV脈沖波長，確定占空比和操作溫度的適當(dāng)值)。
[0126]作為另一選擇或附加地，氣體傳感器可以設(shè)置有控制模塊，其被配置為應(yīng)用適于提高氣體傳感器對目標(biāo)氣體的選擇性的測量策略。更具體而言，該測量策略可以包括首先在不施加UV的情況下獲取測量結(jié)果，然后在施加預(yù)定波長和占空比(基于先前對選定的傳感材料/UV波長的測試結(jié)果設(shè)定占空比和操作溫度，從而與氣體樣品中其他類似氣體物質(zhì)的靈敏性增長相比，產(chǎn)生對目標(biāo)氣體的靈敏性的顯著增長)的UV脈沖的情況下獲取測量結(jié)果?？梢允褂迷趦山M測試中觀察到的傳感器響應(yīng)的比較分析，來檢測目標(biāo)氣體物質(zhì)。通常，使用化學(xué)計量方法來分析傳感器響應(yīng)，不過，本發(fā)明并不限于可以應(yīng)用的比較分析方法。
[0127]如上所述，本發(fā)明第二方面所述的技術(shù)包括施加特別定制的UV脈沖，并可以產(chǎn)生氣體傳感器的選擇性的急劇增長(1000倍量級)。不過，選擇性的這種急劇增長并不是所有應(yīng)用都需要的。在某些情況中，足夠的是將UV脈沖的性質(zhì)設(shè)置成能夠獲得選擇性的較小增長，這在該特定應(yīng)用的背景下仍是有意義的，即使這并不是給定氣體物質(zhì)和傳感材料層可以獲得的最大增長。
[0128]盡管上述實驗是在使用包括單一 ZnO傳感層的氣體傳感器下進(jìn)行的，不過據(jù)信，所觀察到的通過施加UV脈沖獲得的選擇性和靈敏性的改善并不是所述氣體傳感器所特有的，相反這種改善在化敏電阻器氣體傳感器的其他構(gòu)造中也將發(fā)生。因此，本文提出了將上述技術(shù)應(yīng)用在本文件所述的本發(fā)明的各實施方式的多單元層裝置中，并且更一般地，應(yīng)用在其他化敏電阻器型氣體傳感器和基于導(dǎo)電性聚合物的氣體傳感器中。
[0129]當(dāng)上述技術(shù)應(yīng)用在上述多單元層傳感器構(gòu)造體中時，可以對該傳感器的一個或多個單元層施加UV脈沖。當(dāng)對傳感器中的給定單元層的傳感材料(或更一般地對選擇激活性材料)施加在考慮改善特定目標(biāo)氣體的檢測的情況下設(shè)定其特性的UV脈沖時，則與沒有UV照射(或者確實沒有其他脈沖下的UV照射或連續(xù)UV照射)的情況相比，受照射材料將對目標(biāo)氣體具有較強(qiáng)的響應(yīng)。因此，在該單元層包括測量電極的情況下，傳感器的該單元層中測量到的信號強(qiáng)度將改變。另外，與沒有施加UV脈沖的情況相比，從該單元層傳遞到傳感器的下一單元層的氣體將由于當(dāng)前單元層而經(jīng)歷較大改變。這些效應(yīng)均可以用作幫助表征分析氣體樣品的數(shù)據(jù)源。
[0130]可以理解的是，當(dāng)在上述多單元層傳感器構(gòu)造體中應(yīng)用上述技術(shù)時，UV脈沖的特性可以根據(jù)氣體傳感器計劃檢測的目標(biāo)氣體物質(zhì)設(shè)置，或者，必要時根據(jù)干擾氣體物質(zhì)設(shè)置，其中，氣體傳感器的受UV照射單元層被設(shè)計用來防止該干擾氣體物質(zhì)到達(dá)下一單元層。必要時，可以在同一氣體傳感器的不同單元層中同時使用上述兩種方案，不過在設(shè)置多單元層UV源時傳感器的尺寸易于增加。
[0131]本發(fā)明人進(jìn)一步意識到，使用本發(fā)明的氣體傳感器(甚至其他半導(dǎo)體氣體傳感器)能夠獲得的測量結(jié)果組，通過利用在對氣體傳感器施加UV脈沖時觀察到的另一現(xiàn)象而能夠進(jìn)一步得到豐富。更具體而言，本發(fā)明人觀察到，在將UV脈沖首先打開時，可以在傳感材料的響應(yīng)中觀察到瞬態(tài)效應(yīng)，而且，在將傳感材料暴露至不同的氣體物質(zhì)時，該瞬態(tài)效應(yīng)不同。圖18示出了這種現(xiàn)象。
[0132]圖18A和18B所示的軌跡是在與圖16B類似的測試電路下進(jìn)行試驗的過程中測得的，該測試電路與圖16B不同之處在于，在該情況下，氣體傳感器是本發(fā)明第一實施方式所述的雙層傳感器，其中，上部單元層由具有貫穿膜的孔洞的微傳感器構(gòu)成，而下部單元層由膜中不具有孔洞的微傳感器構(gòu)成。在這些實驗中，微傳感器的兩個單元層均采用了由ZnO制成的傳感層，上部單元層使用了 ZnO納米顆粒,而下部單元層使用了 ZnO納米棒。使氣體流以200cm3/分鐘的速率連續(xù)流過傳感器:首先是空氣流(2400秒)，然后是包含Ippm的H2S的氣體樣品(1200秒)，然后再是空氣(2400秒)，隨后是Ippm的NH3的氣體樣品(1200秒)，最后是空氣(2400秒)。各情況中氣體的相對濕度為50%。
[0133]在氣體傳感器暴露至新氣體的各時段內(nèi)，在轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱粴怏w之前,在100秒、400秒和700秒開始存在三個測量階段，各測量階段持續(xù)20秒。在各測量階段期間，使傳感器以連續(xù)的方式暴露至波長為365nm的UV光，并且每10毫秒測量傳感器響應(yīng):UV暴露的開始和結(jié)束與測量階段的開始和結(jié)束同步，并且首次測量在開始UV暴露后的10毫秒進(jìn)行。由此，在各測量階段中進(jìn)行2000次測量，并且各UV暴露時間為20秒長。
[0134]圖18A圖示了在H2S流過傳感器時進(jìn)行的一次典型的測量階段中氣體傳感器的上部單元層的響應(yīng)。圖18B圖示了在NH3流過傳感器時進(jìn)行的一次典型的測量階段中氣體傳感器的上部單元層的響應(yīng)。
[0135]由圖18A可以看出，當(dāng)傳感材料暴露至H2S時，在UV暴露剛剛開始后，傳感器響應(yīng)中存在瞬時峰值，且峰值末端(圖18A所示的峰值右手側(cè))的傳感器電阻低于該增值開端(該峰值的左手側(cè))的電阻值。隨后，電阻值相對緩慢地增長，同時顯示出快速的短時波動。
[0136]相反，圖18B示出了在傳感材料暴露至NH3時，在UV暴露剛剛開始后，傳感器響應(yīng)在電阻方面急劇下降，而且隨著時間推移，電阻的這種降低以一定的遞減速率平滑地持續(xù)。
[0137]據(jù)信，在UV暴露開始時傳感材料的響應(yīng)中觀察到得瞬態(tài)效應(yīng)是傳感材料暴露至的各氣體物質(zhì)所特有的，由此提供了用于檢測特定物質(zhì)的工具。
[0138]利用上述現(xiàn)象的一種技術(shù)如下所述。在開始的學(xué)習(xí)階段，使選定的傳感材料暴露至一種或多種測試物質(zhì)的組，并在UV暴露開始時測量傳感材料對各測試物質(zhì)的響應(yīng)中觀察到的瞬態(tài)效應(yīng)。然后使用判別分析技術(shù)來確定能夠鑒定測試物質(zhì)的瞬態(tài)效應(yīng)的區(qū)別性特征。在隨后的測量階段，使選定的傳感材料暴露至氣體樣品，并且在暴露的過程中，打開UV照射。測量傳感材料的響應(yīng)，以便能夠分析瞬態(tài)效應(yīng)，并且使用對測試物質(zhì)組測得的各瞬態(tài)效應(yīng)進(jìn)行比較分析。這樣在分析氣體樣品中存在特定的測試物質(zhì)時能夠檢測該測試物質(zhì)。
[0139]在以上參照圖18的描述的實驗中，在延長的時間段(20秒)內(nèi)監(jiān)測UV照射開始時的傳感器響應(yīng)，以確保可以獲得傳感材料對UV照射的反應(yīng)的全貌。不過，從圖18A和18B可以觀察到，在打開紫外照射后的極短時間段內(nèi)出現(xiàn)了明顯的瞬態(tài)效應(yīng)，特別是在UV照射開始后最初的零點幾秒內(nèi)出現(xiàn)了明顯的瞬態(tài)效應(yīng)。因此，可將實施本發(fā)明的該方面的特定系統(tǒng)和方法設(shè)計為通過檢測和/或鑒定目標(biāo)氣體快速給出結(jié)果，所述檢測和/或鑒別基于對傳感材料的首次瞬態(tài)響應(yīng)、即在UV照射開始后的第一秒內(nèi)的響應(yīng)的處理。
[0140]在以上參照圖3?11描述的本發(fā)明的第一實施方式中，各單元層的傳感層具有各自的測量電極，因而各單元層可以產(chǎn)生對氣體辨別有貢獻(xiàn)的電信號。本發(fā)明的第一實施方式的氣體傳感器的特別優(yōu)勢在于，多單元層構(gòu)造體重的傳感器可以是受控的且動態(tài)驅(qū)動的，并單獨捕獲數(shù)據(jù)。
[0141]現(xiàn)將參照圖12?15描述本發(fā)明的第二實施方式。根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式，多單元層化敏電阻器型氣體傳感器通過與化敏電阻器型氣體傳感元件相對設(shè)置下述材料層而構(gòu)建，所述材料層能夠在需要時被激活，以改變到達(dá)該氣體傳感元件的氣體的組成。
[0142]圖12圖示了本發(fā)明第二實施方式的氣體傳感器構(gòu)造體70的一個實例。在圖12的氣體傳感器70中，氣體傳感元件71具有與圖3?5的氣體傳感元件CHl和CH2相同的總體結(jié)構(gòu)。不過，在本發(fā)明的第二實施方式中，傳感元件71并不再與第二氣體傳感元件串聯(lián)排列，而是面對第二單元層72，第二單元層72承載了可以被選擇激活以在氣體樣品到達(dá)第一單元層71的傳感層之前改變氣體樣品的材料層75。該層75使用的材料可以是與傳感層52使用的材料種類相同的半導(dǎo)體金屬氧化物；還可以使用催化材料，例如AuTiO2或Pt。
[0143]如圖12的虛線箭頭所示，在到達(dá)第一單元層71的傳感層之前，氣體流過第二單元層72的選擇激活性材料75。支承第二層72的選擇激活性材料75的層是多孔的，或設(shè)置有適當(dāng)?shù)目锥?例如第一實施方式中的孔洞58)，以允許氣體通過。因此，如果例如使用加熱器74或來自源76的紫外光(或適合形成層75的材料性質(zhì)的任何其他技術(shù))激活選擇激活性材料，則氣體樣品將在到達(dá)第一單元層71之前發(fā)生改變。
[0144]可以認(rèn)為，第二單元層72的作用更像催化過濾器，不過是可以打開和關(guān)閉的活性催化過濾器。盡管已知與半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器聯(lián)合使用過濾器，但是已知的過濾器趨于以下兩種過濾器中的一種:操作更像濾篩的過濾器，其以物理方式阻止大氣體分子的通過；或由傳感層上直接沉積的材料層構(gòu)成的過濾器，其在傳感層激活(如通過加熱器)時受到激活。在本發(fā)明的第二實施方式中，第二單元層的選擇激活性材料75可以獨立于第一單元層71的傳感層的激活而受到激活。
[0145]本發(fā)明的第二實施方式提供的一個優(yōu)點在于，其提供了用于增加由第一單元層的氣體傳感元件71可以獲取的測量結(jié)果數(shù)的另一技術(shù)。更具體而言，第一單元層71的傳感層的響應(yīng)可以在第二單元層的選擇激活性層75受到激活的時刻(可能在多個此類時刻其他操作條件在各次測量之間改變)以及在該層75未受激活的類似時刻進(jìn)行測量。因此，可以基于參數(shù)的增長范圍分析氣體樣品，這易于改善結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0146]不像本發(fā)明的第一實施方式的裝置，在本發(fā)明的第二實施方式的裝置中，承載選擇激活性材料層75的單元層將不會輸出電信號。然而，特別用于層75中的材料能夠表現(xiàn)出非常良好的化學(xué)過濾功能。另外，在該情況中，帶有層75的單元層并不需要裝配測量電極，因而降低了制造成本。
[0147]在本發(fā)明的第二實施方式中，多單元層結(jié)構(gòu)體具有承載多孔的選擇激活性層75的第二單元層72，并且分析氣體通過第二單元層72上多孔的選擇激活性層75到達(dá)該裝置的下一單元層71上設(shè)置的傳感元件。因此,到達(dá)該傳感元件的氣體樣品的組成因前一單元層上存在的選擇激活性層75的材料而受到很大程度的影響。
[0148]迄今為止，在如上所述的本發(fā)明的第一和第二實施方式中，從多單元層構(gòu)造體中的一個單元層到下一單元層的氣體流動路徑由貫穿承載傳感材料52/選擇激活性材料75的膜53的孔洞/孔限定，并且膜53橫向跨越傳感器，從而不存在到下一單元層的其他氣體流動路徑。這種排列保證了傳遞到下一單元層的氣體最大程度地受到前一單元層的傳感材料52/選擇激活性材料75的影響。
[0149]本發(fā)明人意識到，雖然程度較小，即使在第一和第二實施方式的下述變型中也能夠?qū)崿F(xiàn)相似的效應(yīng):其中，分析氣體并不一定通過選擇激活性層，只是簡單地與該層接觸，例如由于在氣體傳感器的相繼單元層之間并不存在完全的密封，且一部分氣體在不通過前一單元層的選擇激活性層的情況下到達(dá)下一單元層。另外，本發(fā)明人還設(shè)計了本發(fā)明的第二實施方式的變型，其中，即使選擇激活性材料位于與下一單元層的傳感材料相同的空腔中，在氣體與下一單元層的傳感層接觸之前，選擇激活性層也可以引起氣體改變。因此，在這些變型中，可以認(rèn)為氣體與前述實施方式中相同，順序地從一個單元層通過至下一單元層。
[0150]第二實施方式的第一變型如圖13所示。從圖13可以看出，根據(jù)第二實施方式的該變型，氣體傳感器80包括外殼86，該外殼86包含第一單元層81和第二單元層82，其被安裝來在其間限定空腔90。第一單元層81是氣體傳感元件，其相當(dāng)于圖3和4的氣體傳感元件CHl和CH2中的一個。第二單元層82承載選擇激活性材料層85，其相當(dāng)于圖12的層，不過在本情況中，層85位于空腔90內(nèi)部并面向第一單元層81的傳感層。
[0151]在第二實施方式的該第一變型中，第二單元層82可以是多孔的，或設(shè)置有孔洞，從而使氣體如圖13中使用虛線標(biāo)示的箭頭A’所示通過選擇激活性材料85。在此種情況中，顯然到達(dá)第一單元層81的氣體在通過選擇激活性材料85時改變，特別是通過激活該材料85 (例如使用相連的加熱器)而改變。
[0152]作為另一選擇(或附加地)，要分析的氣體樣品可以通過外殼側(cè)壁的一個或多個開口 87進(jìn)入空腔90，并如圖13所示箭頭A的指示通過第一單元層81離開空腔90。在該情況中，通過將選擇激活性材料85布置得離第一單元層81足夠近，和/或適當(dāng)控制進(jìn)入/離開空腔90的氣體流速(如下所述)，通過開口 87進(jìn)入空腔90的氣體在其經(jīng)第一單元層81的傳感材料進(jìn)行檢測之前，還可以由第二單元層82的選擇激活性材料85進(jìn)行改變至可用程度。[0153]第二實施方式的第二變型如圖14所示。在該變型中，氣體在閥KM1的控制下經(jīng)由側(cè)向開口 102導(dǎo)入空腔100內(nèi)部，并可以部分地(B’)通過第一單元層101。如同第二實施方式的第一變型，在由第一單元層101的傳感材料進(jìn)行檢測之前，通過適當(dāng)控制催化材料105與第一單元層101之間的間隔和/或氣體流速，可以通過激活催化材料105改變氣體。在第二閥1042的控制下，通過出口 103排出氣體。
[0154]該體系通過閥104的控制而能夠調(diào)節(jié)通過傳感器的流速B’。可以支持不同模式的氣體流動，包括根據(jù)下述兩種模式控制氣體流動:
[0155]模式1:
[0156]a)在閥1042保持關(guān)閉時通過打開閥KM1將氣體導(dǎo)入空腔100，
[0157]b)關(guān)閉KM1，并在選定的時間段內(nèi)將氣體保持在空腔100中(在該時段內(nèi)，如箭頭B’的指示，部分氣體物質(zhì)將通過傳感器101離開空腔100)，
[0158]c)打開閥1042來清空空腔100，和
[0159]d)必要時重復(fù)步驟a)?c)。
[0160]必要時，在導(dǎo)入新樣品之前，步驟c)中對空腔100的清空可以伴隨著(和/或隨后進(jìn)行)使諸如空氣等清潔氣體通過空腔。
[0161]通常，給定的氣體樣品在以上步驟b)中所述的單獨一個滯留時段中滯留在空腔中時獲取與該氣體樣品有關(guān)的全部所需測量結(jié)果；與操作者控制無關(guān)，這降低了在獲取與給定氣體樣品有關(guān)的不同測量結(jié)果之間操作條件可能改變引起的風(fēng)險。根據(jù)分析的氣體和關(guān)注的傳感材料，這通常需要在空腔100中的滯留時間為I秒?數(shù)分鐘。
[0162]不過，并不需要在一次滯留時段中進(jìn)行全部測量；如果需要，可以在不同情況(instance)的步驟b)中、特別是連續(xù)情況的步驟b)中將氣體樣品的部分相繼導(dǎo)入空腔中。
[0163]模式2:
[0164]在測量時段內(nèi)允許氣體連續(xù)流過裝置。在氣體連續(xù)流動時，控制閥KM1和1042的打開量，以獲得所需的每分鐘流過裝置的氣體量。在閥1042打開時，氣體主要從102流至103，不過一部分流過傳感器101 (圖14的箭頭B’ )。有利的是，將通過閥1042的流速設(shè)置得足夠低，以使氣體在空腔100中能夠均勻化。
[0165]通常，對于當(dāng)氣體在空腔100中保持約I秒?30秒的時段時的模式I的氣體流動，以及對于當(dāng)氣體連續(xù)流動下從102至103的氣體流速為約Iml/分鐘?約20ml/分鐘時的模式2的氣體流動，當(dāng)晶片的厚度(圖14中的維度t)為約0.5mm時，在單元層之間的距
離(圖14中的維度s)為約0.5mm?3mm-對應(yīng)于體積為2 X s mm3 (即約Imm3?約6mm3)
時，可以獲得催化材料105對氣體的可用改變。
[0166]圖15示出了第三變型；這是以下集合的一個常見實例，其中總體流動B并不受限，且具有部分流動B’和B’ ’的CHl和CH2單元格(cell)能夠?qū)怏w進(jìn)行測量。如同第二實施方式的第一和第二變型，通過適當(dāng)控制催化材料105和第一單元層101之間的間隔和/或氣體流速，在氣體通過第一單元層101的傳感材料進(jìn)行檢測之前，激活催化材料105可以改變氣體。
[0167]如圖13?15所示，將頂部單元層的選擇激活性材料排列在同一空腔的底部傳感器的相對側(cè)，由于氣體的接觸表面積增加而可以用于促進(jìn)目標(biāo)氣體的催化燃燒。結(jié)果，可以監(jiān)測燃燒時間來辨別氣體。這種技術(shù)還可以用在本發(fā)明的第一實施方式中，以產(chǎn)生等同的優(yōu)勢。
[0168]容易理解的是，本發(fā)明的第一和第二實施方式可以組合，特別是用來產(chǎn)生下述層疊結(jié)構(gòu)，其中，部分單元層具有配備有測量電極的傳感層，且一個或多個其他單元層承載了不具有測量電極的傳感層。
[0169]圖19圖示了本發(fā)明第一方面的氣體傳感器的一些其他配置，其中兩個傳感元件串聯(lián)安裝。應(yīng)當(dāng)理解的是，圖19所示的配置可以通過添加其他單元層而得到擴(kuò)展，并且必要時所述擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)可以再次包括具有配備有測量電極的傳感層的額外單元層和/或承載了不具有測量電極的傳感層。圖19C和19D中的彎曲箭頭表示循環(huán)流動、優(yōu)選渦旋流動，其被設(shè)計用來確保裝置中的各單元層影響由其他單元層監(jiān)測的氣體(注意可以控制不同單元層的激活，從而使其未必同時激活)。
[0170]盡管以上參照【具體實施方式】描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解本發(fā)明并不限于上述實施方式的細(xì)節(jié)。更具體而言，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解上述實施方式可以進(jìn)行各種改變和發(fā)展，并且可以設(shè)計不同的實施方式而不脫離如所附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明。
[0171]例如，盡管以上描述的特定實施方式利用了由硅制成的基底，不過可以容易理解的是，可以代替使用具有合適的機(jī)械特性的其他材料，包括但不限于陶瓷材料(Al2O3等)、玻璃和塑料。
[0172]另外，盡管上述描述涉及使用催化材料層，不過可以理解的是，具有或不具有測量
電極的層可以由“捕捉”材料形成，例如TenaZ、沸石或活性炭等，而且這些材料可以是被動
的(快速捕捉、緩慢釋放)或主動的(如使用加熱產(chǎn)生脫附)。應(yīng)當(dāng)理解的是，在本發(fā)明第一方面的裝置中，可以在至少一個單元層包含選擇激活性層的構(gòu)造體中使用被動材料。
[0173]另外，盡管在以上本發(fā)明的一個【具體實施方式】和方面的上下文中描述了利用加熱脈沖來促進(jìn)基線返回，不過，可以理解的是，出于上述目的可以在本發(fā)明的其他實施方式和方面中利用加熱脈沖。
[0174]類似地，盡管在以上本發(fā)明的一個具體方面的上下文中描述了使用通過氣體傳感器中的空腔的清潔空氣流(或其他清潔氣體)，不過，可以理解的是，可以在本發(fā)明的其他實施方式和方面利用這種類型的清潔階段。另外，可以在此類清潔階段(隨著氣體物質(zhì)從催化材料層和/或傳感材料層脫附)和/或在稀釋氣體樣品的階段中獲取有用的測量結(jié)
果O
【權(quán)利要求】
1.一種化敏電阻器型氣體傳感器(50/70/80)，所述傳感器具有多單元層結(jié)構(gòu)，所述傳感器包含: 第一單元層(CH1/71/81)，所述第一單元層包含設(shè)置在絕緣層(53)上的傳感層(52)，以及與所述傳感層(52)接觸設(shè)置的測量電極(55)； 第二單元層(CH2/72/82)，所述第二單元層包含支承選擇激活性材料層(52/75/85)的支承層(53)，所述選擇激活性材料(52/75/85)層與所述第一單元層(CH1/71/81)的所述傳感層(52)隔開；和 激活單元，所述激活單元用于控制所述選擇激活性層(52/75/85)的激活； 其中，所述第一和第二單元層(CHI/71/81、CH2/72/82)串聯(lián)排列，以使氣體相繼通過所述第二單元層(CH2/72/82)傳遞至所述第一單元層(CH1/71/81)，而且通過激活所述第二單元層(CH2/72/82)的所述選擇激活性材料(52/75/85)，可以使到達(dá)所述第一單元層(CH1/71/81)的所述傳感層(52)的氣體發(fā)生改變。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器(50)，所述傳感器還包含: 控制裝置，所述控制裝置適于分別在所述選擇激活性材料(52/75/85)層激活和未激活的時刻通過測量電極(55)獲取測量結(jié)果，并適于處理所述測量結(jié)果以辨別提供至所述氣體傳感器的氣體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氣體傳感器(50)，其中: 所述第一和第二單元層(CH1，CH2)各自構(gòu)成化敏電阻器型氣體傳感元件，所述第二單元層(CH2)上的所述選擇激活性材料(52)層為第二傳感層，且所述第二單元層(CH2)包含與所述第二傳感層(52)接觸的第二測量電極(55)，并且 貫穿各單元層(CH1，CH2)形成孔洞(58)或孔，以使氣體能夠從一個單元層傳遞至下一單元層。
4.如權(quán)利要求3所述的氣體傳感器(50)，所述傳感器包含化敏電阻器型氣體傳感元件(CHLCH2)的層疊體，其中，不同材料形成所述層疊體中至少兩個不同的單元層的各傳感層(52)。
5.如權(quán)利要求3或4所述的氣體傳感器(50)，其中，各氣體傳感元件(CH1，CH2)具有微熱板結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的氣體傳感器(80)，其中: 所述第一和第二單元層在其間限定出空腔(90)，和 所述第一單元層(81)的傳感層和所述第二單元層(82)的所述選擇激活性層(85)布置在所述空腔(90)的相對表面上。
7.如權(quán)利要求1或2所述的氣體傳感器(50/70/80)，其中: 至少在設(shè)置所述選擇激活性層(52/75/85)的區(qū)域中貫穿所述第二單元層(CH2/72/82)設(shè)置孔洞或孔，以使氣體能夠通過所述第二單元層(CH2/72/82)的所述選擇激活性層(52/75/85)傳遞至所述第一單元層(CH1/71/81)的所述傳感層。
8.如前述權(quán)利要求中任一項所述的氣體傳感器，其中，所述激活單元包含加熱器(56)。
9.如前述權(quán)利要求中任一項所述的氣體傳感器，其中，所述激活單元包含紫外光源(76)，所述紫外光源(76)能夠操作而使所述選擇激活性層(52/75/85)暴露至紫外光脈沖，并且所述氣體傳感器包含設(shè)置單元，所述設(shè)置單元被配置為，根據(jù)所述氣體傳感器要檢測的目標(biāo)氣體物質(zhì)或根據(jù)干擾氣體物質(zhì)，控制所述紫外光源施加的紫外光脈沖的占空比或時長。
10.如前述權(quán)利要求中任一項所述的氣體傳感器，其中，所述激活單元包含紫外光源(76)，所述紫外光源(76)能夠操作而使所述氣體傳感器的傳感層(52)暴露至紫外光脈沖，并且所述氣體傳感器包含設(shè)置單元，所述設(shè)置單元被配置為，根據(jù)所述氣體傳感器要檢測的目標(biāo)氣體物質(zhì)，控制所述紫外光源施加的紫外光脈沖的占空比或時長。
11.如前述權(quán)利要求中任一項所述的氣體傳感器，所述傳感器包含: 紫外光源，所述紫外光源能夠操作而使所述傳感器中的一個或多個傳感層暴露至紫外光，和 分析單元，所述分析單元被配置為，對經(jīng)由與所述一個或多個傳感層接觸的測量電極獲得的測量結(jié)果進(jìn)行分析，以確定在開始施加紫外光時所述一個或多個傳感層的瞬時響應(yīng)。
12.一種化敏電阻器型氣體傳感器的操作方法，所述傳感器具有多單元層結(jié)構(gòu)，所述傳感器包含: 第一單元層(CH1/71/81)，所述第一單元層包含設(shè)置在絕緣層(53)上的傳感層(52)，以及與所述傳感層(52)接觸設(shè)置的測量電極(55)； 第二單元層(CH2/72/82)，所述第二單元層包含支承選擇激活性材料(52/75/85)層的支承層(53)，和 激活單元，所述激活單元用于控制所述選擇激活性層(52/75/85)的激活；` 其中，所述第一和第二單元層(CHI/71/81、CH2/72/82)串聯(lián)排列，以使氣體相繼通過所述第二單元層(CH2/72/82)傳遞至所述第一單元層(CH1/71/81)，而且通過激活所述第二單元層(CH2/71/81)的所述選擇激活性材料(52/75/85)，可以使到達(dá)所述第一單元層(CH1/71/81)的所述傳感層(52)的氣體發(fā)生改變， 所述方法包括以下步驟: 控制所述激活單元來激活所述選擇激活性材料(52/75/85)； 在所述氣體傳感器暴露至氣體且所述第二單元層(CH2/72/82)的所述選擇激活性材料(52/75/85)激活時，經(jīng)測量電極(55)獲取測量結(jié)果；和 通過處理測量結(jié)果來產(chǎn)生表征所述氣體的結(jié)果，所述測量結(jié)果包括所述測量結(jié)果獲取步驟中獲得的測量結(jié)果。
13.如權(quán)利要求12所述的氣體傳感器的操作方法，所述操作方法還包括在所述氣體傳感器暴露至氣體且所述第二單元層(CH2/72/82)的所述選擇激活性材料(52/75/85)未激活時經(jīng)測量電極(55)獲取另一測量結(jié)果的步驟， 其中，所述結(jié)果產(chǎn)生步驟包括通過處理測量結(jié)果來產(chǎn)生表征所述氣體的結(jié)果，所述測量結(jié)果包括在所述測量結(jié)果獲取步驟中和獲取另一測量結(jié)果的步驟中獲取的所述測量結(jié)果O
14.如權(quán)利要求12或13所述的氣體傳感器的操作方法，所述操作方法用于操作氣體傳感器(50)， 其中，所述第一和第二單元層(CH1，CH2)各自構(gòu)成化敏電阻器型氣體傳感元件，所述第二單元層(CH2)上的所述選擇激活性材料(52)層為第二傳感層，且所述第二單元層(CH2)包含與所述第二傳感層(52)接觸的第二測量電極(55)，并且 貫穿各單元層(CH1，CH2)形成孔洞(58)或孔，以使氣體能夠從一個單元層(CH2)傳遞至下一單元層(CHl)， 所述方法還包括以下步驟: 確定所述氣體傳感器(50)中的所述一個單元層(CH2)的傳感層與氣體反應(yīng)的時間與在氣體通過所述氣體傳感器(50)流動的方向上在所述一個單元層(CH2)之后的單元層(CHl)的傳感層經(jīng)歷與所述氣體的類似反應(yīng)的時間之間的時間差； 其中，所述結(jié)果產(chǎn)生步驟適于通過處理包括所述時間差的測量結(jié)果來產(chǎn)生表征所述氣體的結(jié)果。
15.如權(quán)利要求12~14中任一項所述的氣體傳感器的操作方法，所述操作方法包括以下步驟:使所述選擇激活性材料層(52/75/85)經(jīng)歷如第一曲線所示的時間-溫度變化，并經(jīng)歷如第二曲線所示的時間-溫度變化； 其中，所述結(jié)果產(chǎn)生步驟適于通過處理信號來表征所述氣體，所述信號包括在所述選擇激活性材料層(52/75/85)的溫度根據(jù)所述第一和第二曲線變化時， 經(jīng)測量電極(55)獲取的各測量結(jié)果。
16.如權(quán)利要求12~15中任一項所述的氣體傳感器的操作方法，所述操作方法用于操作包括加熱器(56)的氣體傳感器，所述加熱器(56)用于加熱所述第一單元層(CH1/71/81)的所述傳感層(52)，其中，所述結(jié)果產(chǎn)生步驟適于通過處理測量結(jié)果來表征所述氣體，所述測量結(jié)果包括通過加熱器(56)對所述傳感層(52)施加的熱量的測量指標(biāo)。
17.如權(quán)利要求12~16中任一項所述的氣體傳感器的操作方法，所述操作方法還包括對所述氣體傳感器中的至少一個傳感層施加預(yù)定時長和/或占空比的紫外光脈沖的步驟， 其中，所述結(jié)果產(chǎn)生步驟適于通過處理測量結(jié)果來表征所述氣體，所述測量結(jié)果包括在紫外光脈沖施加步驟中獲取的測量結(jié)果。
18.一種化敏電阻器型氣體傳感器，所述傳感器包含: 氣體敏感性層(52/75/85)，和 紫外光源，所述紫外光源能夠操作用來使所述氣體敏感性層(52/75/85)暴露至紫外光脈沖； 其特征在于，所述氣體傳感器包含設(shè)置單元，所述設(shè)置單元被配置為，根據(jù)所述氣體敏感性層上吸附的目標(biāo)氣體物質(zhì)，控制所述紫外光源施加的紫外光脈沖的占空比或時長。
19.一種化敏電阻器型氣體傳感器的操作方法，所述傳感器包含氣體敏感性層(52/75/85)，所述方法包括以下步驟: 對所述氣體敏感性層(52/75/85)施加紫外光脈沖，所述紫外光脈沖的占空比或時長根據(jù)所述氣體敏感性層上吸附的目標(biāo)氣體物質(zhì)而設(shè)置。
20.一種化敏電阻器型氣體傳感器，所述傳感器包含: 氣體傳感層(52)，所述氣體傳感層(52)設(shè)置在絕緣層(53)上， 測量電極(55)，所述測量電極(55)與所述傳感層(52)接觸設(shè)置；和 紫外光源，所述紫外光源能夠操作而使所述氣體傳感層(52)暴露至紫外光； 其特征在于，所述氣體傳感器包含分析單元，所述分析單元被配置為，通過對經(jīng)所述測量電極獲得的測量結(jié)果進(jìn)行分析，來確定在開始施加紫外光時所述傳感層的瞬時響應(yīng)。
21.一種化敏電阻器型氣體傳感器的操作方法，所述傳感器包含: 氣體傳感層(52)，所述氣體傳感層(52)設(shè)置在絕緣層(53)上， 測量電極(55)，所述測量電極(55)與所述傳感層(52)接觸設(shè)置；和 紫外光源，所述紫外光源能夠操作而使所述氣體傳感層(52)暴露至紫外光； 所述方法包括以下步驟: 使所述傳感層(52)暴露至紫外光，并且 對經(jīng)所述測量電極 獲得的測量結(jié)果進(jìn)行分析，來確定在開始施加紫外光時所述傳感層的瞬時響應(yīng)。
【文檔編號】G01N27/12GK103718031SQ201280036721
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月8日
【發(fā)明者】A·高登, 沈昌炫, P·梅尼尼, F·盧貝 申請人:阿爾法莫斯公司, 國家科研中心