CN109923405A - 环境敏感薄膜设备的能量脉冲清除 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于快速加热和冷却气体传感器的活性感测层的过程和电子硬件和软件系统。一系列高能量脉冲穿过CNT电活性层，将该层加热到不同的温度。各种气体对层的电导率的影响可用于识别气体(例如，水蒸气、醇、甲烷、O2、CO2和CO)。有利地，相同的结构也可以用作纳米加热器，无论在气体传感器的情境之内或之外。该设备可以在几秒钟内获得唯一的气体谱，从而基于已知谱库精确地确定气体类型和气体混合物。

Description

环境敏感薄膜设备的能量脉冲清除
相关申请
本申请是非临时申请，其要求参考共同主题的标题为“气体传感器(GAS SENSOR)”并于2017年6月7日提交的美国临时申请第62/516,491号以及标题为“环境敏感CNT薄膜设备的能量脉冲清除(ENERGETIC PULSE CLEARING OF ENVIRONMENTALLY SENSITIVE CNTTHIN-FILM DEVICES)”并于2016年9月5日提交的美国临时申请第62/383,553号的优先权的权益。先前提交的临时申请通过引用整体并入本申请。
背景技术
技术领域
本发明涉及一种在薄膜设备中感测和清除环境信号的方法。
对相关技术的描述
某些电子传感器结构通过在“活性”层内引起物理变化(即电极化变化、磁性变化、结构变化、形态变化或相位变化)或化学变化(即解离变化、反应变化或成分变化)来操作，该物理变化或化学变化导致设备电阻、电容或电感的相应变化。在传感器中，这可能是由于对外部刺激的反应引起的传感器的传感材料(或“活性”层)的变化的结果。在2015年7月22日提交的美国专利申请第14/806,238号中详细地描述了此类传感应用的示例，该申请通过引用结合于此。
在许多现有的CNT传感器技术中，薄膜电活性CNT层通常由被绝缘区域隔开的高度导电颗粒(沿着随机取向的单个CNT或由多个CNT制成的绳索)组成。绝缘区域桥接CNT的端部或侧壁并且倾向于将电荷载流子捕获在导电颗粒上。这些薄膜设备(在活性层内)中的导电过程通常是从两个或更多个导电区域穿过绝缘区域的电荷传输的可变范围的量子力学跳跃或量子力学隧穿过程。载流子通过该电层传输的路径是通过大量的此类过程，这些过程形成从电触点到电触点的渗透网络。
在这些设备中，众所周知，环境气体通过在薄CNT薄膜中的导电颗粒和绝缘颗粒之间的界面处的氢键或范德瓦尔斯键(Vander Waals bonding)来与导电过程进行相互作用。这些相互作用倾向于增加或减少导电颗粒的有效载流子捕获电位。这些过程将提高或降低CNT层的电导率。随着时间的推移，这些影响会导致宏观电导率漂移并且通常随着膜周围环境的变化而变得不稳定。在许多情况下，这种不稳定的行为导致设备或传感器较差的性能。
由于传感器应用需要环境组分的扩散以便于操作，因此不可能简单地阻挡来自活性表面的环境组分。因此，对于传感器应用，必须要清除设备的活性层，使得在活性层中或活性层周围不存在环境组分，并且活性层的电子行为随时间稳定。
对于气体感测，可以在正常大气条件下操作并且可以快速和选择性地感测如H2、CO、CH4、NO2和H2O之类的气体的单个的、离散的固态传感器是新兴行业所需的，以用于对环境空气的实时分析。此类固态气体检测器可用于各种应用。许多现有传感器是基于金属和/或金属氧化物膜、纳米团簇(nanoclusters)或纳米线，所述现有传感器通常在100℃-400℃的温度下通过物理吸附或可逆化学反应来检测气体。这些类型的设备已广泛用于利用由中心钨丝或钽丝加热并涂有气敏材料的陶瓷管烘箱的配置中。一旦烘箱与周围环境达到热平衡，就会监测涂层的电阻，这可能需要数小时。金属膜/金属氧化物半导体的电阻随着感兴趣的痕量气体而波动。
然而，该技术的缺点是缺乏气体选择性和较大的功耗。这些设备还可能对其他气体、烟雾和水蒸气交叉敏感(cross-sensitive)。因此，它们最好用于已知的环境中，在该已知的环境中，通常预期存在感兴趣的气体并且未预期交叉敏感效应。这些设备是信号增强的，从而使得它们对感兴趣的气体更敏感，但是可能由于这些交叉敏感性导致假阳性事件。由于这些设备在远高于室温的温度下操作最佳，因此它们倾向于消耗大量功率，在瓦特的数量级上。因此，正在开发用于这些设备的室温操作的附加技术，但是在增加的温度下操作通常会增强信号。然而，这些固态气体传感器具有低成本、优异的稳定性、高灵敏度以及一旦达到热平衡就相对快速响应的优点。
为了增加现有固态技术的气体选择性(或特异性)，将具有不同单个像素成分的多像素传感器设备组合在同一加热器上，使得不同的吸收(或对传入气体的其他反应)可以用于更好地确定未知的气体成分。在这种配置中，像素被温度控制到相同的温度，并且未知气体可以通过由每个像素作为复合信号表现出的不同电阻变化来识别。加热器通常将所有像素加热到相同的温度，从而需要相当大的功率并且无法独立地增加像素的温度或快速扫掠温度。当暴露于未知气体时，像素的这些不同电阻变化是改变像素化学成分的结果。这些设备比单个的固态气体传感器更具气体选择性。这些设备难以制造，从而使得可以实现加热器的热隔离(有时需要MEMS设备)，并且由于每个像素具有略微不同的材料成分，因此它们需要许多合成步骤。而且，相对较大的加热器需要相当长的时间(小时)才能与背景达到热平衡，并且所有像素必须在相同的温度下操作。因此，这些设备具有有限的选择性，难以制造，并且具有与单像素固态器件相同的功耗问题。
离散的单个的气体专用电化学传感器也已经用于检测气体类型和气体浓度。这些设备在电化学过程中工作，该电化学过程要求它们处于液体或含液体的基质(例如水凝胶)中，使得离子自由地反应并扩散到电极。这些设备可以被制造得非常灵敏和有选择性。这些设备的主要缺点是低速(离子扩散到电极所需的时间)、制造困难(制造阵列所涉及的许多不同的化学过程，并且通常不能以集成的方式制造)、短的寿命(由于离子迁移基质的损失或退化，设备具有有限的寿命)，并且在真实世界应用中可能出现结垢。然而，由于与单个固态器件相比时增加的选择性和更低的功耗，该技术在需要单个气体选择性传感器的许多应用中优于固态技术。结果，需要并行操作多个电化学设备以检测一系列不同的气体。
其他提出的固态分立设备包括涉及功能化或“装饰的”的CNT和石墨烯气敏设备的类别。与固态设备相比，这些设备中的大多数旨在在室温下操作以降低功耗。然而，这些设备还必须进行温度控制，以减少与环境温度波动引起的吸收变化相关的误差。
这些设备中的大多数在检测过程中利用碳基纳米颗粒的性质，该检测过程通过碳纳米颗粒微结构内的金属或金属氧化物材料的存在而增强。这些室温传感器与在设备上方或下方延伸的单个加热器结合使用。这些设备存在具有交叉敏感性的主要问题，因为它们仅在一个温度下操作。
发明内容
在一个实施例中，本发明涉及环境传感器。传感器包括由导电材料形成的第一电极和第二电极，其中电极彼此间隔开并定位在基板上。传感器还包括活性感测层，该活性感测层定位在基板上并与每个电极的至少一部分直接接触。另外，活性感测层被配置成用于响应于活性感测层附近的组分气体的特性的变化而经历电特性的变化，并且进一步被配置成用于直接从电极接收能量以将活性感测层的温度设置为特定值。
在另一实施例中，本发明涉及环境传感器阵列。该阵列包括多个像素传感器，其中每个像素传感器包括由导电材料形成的第一电极和第二电极。电极彼此间隔开并被定位在基板上；并且每个像素传感器还包括位于基板上并与每个电极的至少一部分直接接触的活性感测层。每个像素传感器的活性感测层被配置成用于响应于活性感测层附近的特定组分气体的特性的变化而经历电特性的变化。每个像素的活性感测层进一步被配置成用于直接从电极接收能量以将活性感测层的温度设置为特定值。
本发明还提供了一种利用环境传感器来确定组分气体的方法。该方法包括生成由环境传感器的第一电极和第二电极接收的电脉冲序列，其中所述电脉冲序列被配置成用于设置环境传感器的温度。在生成电脉冲序列期间，测量环境传感器的第一电极和第二电极之间的第一电阻。多次重复生成和测量使得每个电脉冲序列将环境传感器设置为不同的温度，从而得到包括多个第一电阻测量的第一谱、每个温度的一个第一电阻测量。将第一谱与多个响应谱进行比较，每个响应谱对应于多种组分气体中连续的一种组分气体的热谱响应。
本发明进一步提供了一种利用环境传感器来确定组分气体浓度的方法。该方法包括测量环境传感器的第一电极和第二电极之间的第一电阻。生成由第一电极和第二电极接收的电脉冲序列，其中所述电脉冲序列被配置成用于设置所述环境传感器的温度。在生成电脉冲序列之后测量第一电极和第二电极之间的第二电阻，并从第一电阻测量中减去第二电阻测量。确定与第一电阻测量和第二电阻测量之间的差值对应的所述环境传感器附近的组分气体浓度的值。
在又另一实施例中，提供了一种加热环境传感器的方法，该环境传感器包括第一电极和第二电极以及接触电极的活性感测层。该方法包括将电脉冲序列施加到第一电极和第二电极。所述电脉冲序列以重复率施加持续第一时间段，其中每个电脉冲具有脉冲宽度持续时间和幅度值。第一电极和第二电极将能量传递到活性感测层，这将环境传感器设定到一温度。
最后，本发明还涉及一种微加热方法，包括：将电脉冲施加到包括碳纳米管的加热层，其中电脉冲具有小于大约100微秒的持续时间。
提供本概述以便以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限定所要求保护的主题的范围。从以下对实施例的详细描述和附图中，本发明的其他方面和优点将变得显而易见。
附图简述
本专利或申请文件包含至少一幅彩色绘制的附图。经请求并且支付必要费用后，专利局将提供具有(多个)彩图的本专利或专利申请公开的副本。
参照附图对本发明的实施例进行详细地描述，其中：
图(图)1a是根据本发明的单像素气体换能器的等距视图；
图1b是图1a的换能器的平面图；
图1c是图1a至图1b的换能器沿1c线的横截面视图；
图2是根据本发明的4像素设备的平面图，其中单位是毫米；
图3是示出根据本发明的应用能量密度的一个方法的脉冲信号时序图；
图4是用于生成图3的脉冲信号时序图的电子系统框图；
图5是图3至图4的实施例的脉冲放大器的电路图；
图6是图3至图4的实施例的脉冲放大器的电路图；
图7是描绘在图3中描述的脉冲序列期间通过本发明的传感器设备的电压和电流(作为时间的函数)的曲线图；
图8是示出假设的热吸收谱的曲线图，以说明对传感器设备响应进行建模以确定气体成分和浓度的本发明方法；
图9是示出四种假设的气体在70-120℃温度范围内的示例性曲线的曲线图。
图10a是示例1中使用的传感器设备的等距视图；
图10b是图10a的设备的平面图；
图10c是图10a至图10b的设备沿10c线的横截面视图；
图11是示例1中使用的传感器设备的照片；
图12是描绘示例2中使用的环境室的温度和相对湿度分布的图表。
图13是示出如示例2中所描述的在有脉冲清除和没有脉冲清除的两者的情况下信号变化相对于时间的图表；
图14是示出在本发明的设备通过图12所示的相同温度循环和湿度循环后转换成温度的实际温度和设备电阻的图表。
图15是描绘所测量的湿度的图表和由脉冲序列之前的电阻与如示例2中所描述的脉冲序列期间的电阻之间的差值所确定的湿度的图表；
图16是在如示例2中所描述的温度循环期间作为设备的温度的函数的脉冲序列期间的设备电流的图表；
图17是示出作为如示例3中所描述的RH循环期间的设备湿度的函数的脉冲序列之前和脉冲序列期间的电流差的传感器信号的图表。
图18是示例3的传感器的电阻与以15分钟间隔的脉冲序列的图表。
图19是描绘作为在示例4中描述的脉冲清除期间的峰值脉冲电压的函数获得的表面温度的图表。
图20是示出作为Rmeas(横轴)的函数的示例4中所描述的样本的表面达到200℃所需的峰值脉冲电压的图表。
图21是示例5的热解的传感器(左)和未热解的传感器(右)的照片。
图22是示例7中制造的四像素印刷电子设备的照片。
图23是示例8中使用的气体测试台的气体测试台框图。
图24a是FLIR相机照片，示出了与示例9中被激活的x方向上的电极一起定向的SNO2/钯单个像素；
图24b是示出由FLIR相机测量的温度的图表，示出了在加热脉冲序列循环期间图24a的单个像素的x方向上的温度分布。
图24c是示出由FLIR相机测量的温度的图表，示出了在加热脉冲序列循环期间图24a的单个像素的y方向上的温度分布。
图24d是示出由FLIR相机测量的温度相对于时间的图表，示出了如示例9中所描述的图24a的单个像素的长期循环；
图25是描绘如示例9中所描述的两种不同电阻的像素的温度相对于重复率的图表。
图26是示出如示例9所描述的像素温度随通过像素的电流的变化的曲线图。
图27示出了示例10中的测试装置；
图28是示出示例10中测试的传感器设备的信号响应作为％电阻随时间变化的曲线图；
图29是示出在信号是氢气扩散到传感器的结果的区域中、传感器响应如何缓慢变化的图表(示例10)。
图30是示出示例11中测试的传感器设备的信号响应作为％电阻随时间变化的曲线图；
图31是描绘示例12的结果的图，其中CNT/SNO2/钯设备暴露于CO(400Hz)；
图32是示例12中执行的信噪比分析的图表，用于说明设备对CO气体浓度(400Hz)的灵敏度。
图33是描绘示例12的结果的图，其中CNT/SNO2/钯设备暴露于CO(200Hz)；
图34是示例12中执行的信噪比分析的图表，用于说明设备对CO气体浓度(200Hz)的灵敏度。
图35是描绘示例13的结果的图，其中CNT/SNO2/钯设备暴露于CH4(400Hz)；
图36是示例13中执行的信噪比分析的图表，用于说明设备对CH4气体浓度(400Hz)的灵敏度。
图37是描绘示例13的结果的图，其中CNT/SNO2/钯设备暴露于CH4(200Hz)；
图38是示例13中执行的信噪比分析的图表，用于说明设备对CH4气体浓度(200Hz)的灵敏度。
图39是示出示例14的气体传感器对水蒸气的响应的图表。
图40是描绘作为如示例15中所描述的时间函数的广义测试气体浓度的脉冲的图表；
图41是示出如示例15中所描述的不同的气体的电阻变化的不同斜率的图表；以及
图42是示例16的设备中的电阻变化随着氢气浓度的增加随时间变化的曲线图。
附图不将本发明限制于在此公开和描述的特定实施例。附图不一定是按比例绘制的，而是将重点放在说明本发明的原理上。
具体实施方式
本发明的以下详细描述参考了附图，附图示出了可以实践本发明的具体实施例。实施例旨在充分详细地描述本发明的各方面，以使本领域技术人员能够实践本发明。可以利用其他实施例，并且可以作出改变而不背离本发明的范围。因此，以下详细描述不应具有限制的意义。本发明的范围仅由所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等价物的全部范围来确定。
在本说明书中，对“一个实施例(one embodiment)”、“实施例(an embodiment)”或“多个实施例(embodiments)”的引用意味着所引用的一个或多个特征包括在本技术的至少一个实施例中。在本说明书中对“一个实施例(one embodiment)”、“实施例(anembodiment)”或“多个实施例(embodiments)”的单独引用不一定是指相同的实施例并且也不相互排斥，除非如此陈述和/或除了对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的之外。例如，在一个实施例中所描述的特征、结构、动作等也可以包括在其他实施例中，但不一定包括在内。因此，当前技术可以包括本文描述的实施例的各种组合和/或集成。
更详细地说，参考图1a、图1b和图1c，示出了根据本发明的换能器10的一个实施例。换能器10包括基板12，至少两个电极14、16和活性感测层18。每个电极14、16具有相应的侧壁以及相应的上表面。电极14、16被定位成邻近基板12，或定位在基板12和电极14、16之间的可选层上。可选层包括，但不限于，活性感测层18与环境之间的信号增强层20或过滤层22、以及活性感测层18与基板12之间的隔离或过滤层22，如美国专利申请第14/806,218号中所描述，其通过引用结合在此。重要的是，活性感测层18也与每个电极接触。
基板
基板12可以由任何数量的材料形成，包括从由聚合物、陶瓷或单晶的材料组成的组中选出的那些材料。优选地，该材料是有机聚合物。合适的有机聚合物包括从由聚酰亚胺(诸如膜)、聚酰胺、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE，诸如Teflon)、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、苯乙烯类、环烯烃聚合物(诸如Zeonor)、环烯烃共聚物、聚酯和聚萘二甲酸乙二醇酯组成的组中选出的那些有机聚合物。基板12优选地具有低导热率，从0.005W/m-K至1.0W/m-K，更优选从0.01W/m-K至0.1W/m-K。
电极
参考图1a、图1b和图1c中，注意到活性感测层18接触两个电极14、16的侧壁。在另一个实施例中，活性感测层18符合电极14、16。也就是说，活性感测层18接触电极14、16的相应侧壁和上表面。在另一个实施例中，电极14、16可以被定位在活性感测层18的顶部而不是活性感测层18下面(即，它们的顺序可以“翻转”)，只要仍然实现接触。因此，导致活性感测层18接触两个电极14、16的任何布置都是可接受的。
电极14、16优选为平面电极，但也可以是内叉指(inter-digitated)电极。优选地，电极14、16具有高电子迁移率或空穴迁移率和大载流子浓度。用于形成电极14、16的合适材料包括从由银、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)、金、高掺杂硅、导电碳纳米管(CNT)和石墨烯油墨、钯、铜、铝、任何导电聚合物、和CNT/石墨烯-导电聚合物复合材料组成的组中选出的那些材料。优选的材料具有低的肖特基势垒(Schottky barrier)和对活性感测层18的低接触电阻。电极可以通过任何合适的技术形成，包括从由丝网印刷、喷涂、Aerosol 印刷、喷墨印刷、柔版印刷、凹版印刷、平版印刷技术、旋涂、蒸发、溅射、和激光烧蚀组成的组中选出的那些技术。
活性感测层
活性感测层18提供随着活性感测层18的变化而变化的电子信号。电阻的这种变化可能是其电子结构、缺陷状态或电子载流子密度变化的结果。优选地，电子信号变化是电阻的变化。优选地，活性感测层18的电阻为从大约5kΩ至大约10MΩ，更优选为从大约100kΩ至大约5MΩ，甚至更优选为从大约500kΩ至大约2MΩ。在暴露于气体时，活性感测层18的电阻应该与气体的浓度的变化成比例地变化。应当理解，各种气体和应用将需要不同的灵敏度，但优选地，电阻的变化应导致每50ppm变化至少约0.1％的输出信号变化，并且更优选地，每30ppm变化至少约0.5％。优选地，用于形成活性感测层18的材料是平面材料，与线、窄桥、杆、单独的CNT等相对比，该平面材料可以作为薄膜或织物提供。另外，活性感测层18优选地包括具有大量缺陷状态的无序导体和引起不规则传导路径的片或膜形态。这种无序或不规则导致所使用的特定组件之间的“结”，并且这些结对于活性感测层18的正常运行是重要的。也就是说，有序材料(诸如对准的CNT)不是合适的活性层材料。用于活性感测层18的合适材料包括从由碳纳米管(金属或半导体)、功能化或非功能化碳纳米管(CNT)织物、非晶碳膜、热解碳、石墨、石墨烯、碳纤维、富勒烯碳烟、碳黑、硅、离子注入和其他导电聚合物(诸如PEDOT：PSS、聚苯胺、聚芴、聚亚苯基、聚芘、聚蒽、聚萘、聚吡咯、聚咔唑、聚吲哚、聚氮杂苯、聚乙炔、聚亚苯基亚乙烯基和聚噻吩)、金属颗粒掺杂的CNT或石墨烯及其复合物和混合物组成的组中选出的那些材料。
活性感测层18被选择为非常薄，如非常薄的“皮肤”，接近二维片或膜。因此，活性感测层18应该具有小于大约1000nm、优选地小于大约200nm、更优选地小于大约100nm、并且甚至更优选地大约10nm至大约100nm的平均厚度。在特别优选的实施例中，活性感测层18具有小于大约30nm的平均厚度，并且优选地为从大约1nm至大约30nm。在如此低的厚度下，活性感测层18具有可忽略的块体性质(诸如质量、体积和热容量)。因此，该活性感测层18具有周围层的许多化学、物理和生物特征。活性感测层18可以通过任何合适的技术沉积，包括从由丝网印刷、喷涂、印刷、喷墨印刷、浸涂、喷枪技术、柔版印刷、凹版印刷、光刻技术、旋涂、蒸发、溅射、层压、ALD、CVD和PECVD组成的组中选出的那些技术。
信号增强层
信号增强层20具有顶表面和底表面。信号增强层20的底表面与活性感测层18的全部或部分相邻，并且优选地抵靠活性感测层18的上表面。形成信号增强层20的材料优选地从由气体吸收材料、选择性气体吸收材料及其混合物组成的组中选出。用于信号增强层20的合适材料包括从由金属氧化物(例如氧化锡、氧化铁、氧化钒和氧化锌)、金属(例如钯、铂、金、银和铁)的材料、硫属化物玻璃(如硒和硒化硒)和聚合物(如聚醚酰亚胺、热解聚砜、热解聚丙烯腈)组成的组中选出的那些材料。也就是说，信号增强层20优选地具有小于大约104S/m、更优选地小于大约103S/m、并且甚至更优选为从大约10-2S/m至大约102S/m的电导率。信号增强层20的薄层电阻(sheet resistance)应为至少大约100Ω/sq、优选地至少大约1,000Ω/sq、并且更优选地大约1,000Ω/sq至大约10,000Ω/sq。信号增强层20可以通过任何合适的技术沉积，包括从由丝网印刷、喷涂、印刷、喷墨印刷、柔性板印刷、凹版印刷、拉杆涂布、浸涂、光刻技术、旋涂、蒸发、溅射、层压、ALD、CVD和PECVD组成的组中选出的那些技术。信号增强层20的厚度优选为大约50nm至大约50μm、更优选为大约100nm至大约4μm、并且甚至更优选为从大约100nm至大约2μm。信号增强层20应具有至少大约50g/m2/天、优选地至少大约500g/m2/天、并且更优选地从大约2000g/m2/天至大约5000g/m2/天的如由ASTM方法F1249测得的气体扩散速率。在该实施方案中，信号增强层20优选地具有小于大约1g/m2/天、更优选小于约0.01g/m2/天、并且甚至更优选约0g/m2/天的如由ASTM方法D-570测得的非分析物的扩散速率。
在一个实施例中，信号增强层20可以与气体反应。例如，信号增强层20在与目标气体接触时可能经历化学或物理变化或反应。该化学或物理变化或反应可以在暴露于气体时进一步增强或放大来自活性感测层18的输出信号。当信号增强层20具有反应性时，其应该在层中具有至少大约0.8％、优选至少大约2.0％、更优选从大约5.0％至大约10％的如由ASTM方法所测得的分析物溶解度。反应信号增强层20可以由任何非导电材料或材料制成，包括从由聚合物(例如聚酯或聚甲基丙烯酸甲酯[PMMA])、光致抗蚀剂、陶瓷或金属复合物或其混合物的材料组成的组中选出的那些材料。
在另一个实施例中，信号增强层20可以嵌入到活性感测层18中。也就是说，它可以与活性感测层18混合或以某种其他方式分布在活性感测层18内，而不是仅在活性感测层18的顶部或下方沉积。
过滤层
过滤层22包括顶表面和底表面，并且位于邻近信号增强层20，并且优选地，底表面抵靠信号增强层20的顶表面。或者，如果信号增强层20不存在，则过滤层22的第一侧与活性感测层18相邻。更优选地，在本实施例中，过滤层22的第一侧抵靠活性感测层18的第二侧。
不管实施例如何，过滤层22都位于电极14、16中的一些或全部与环境之间。过滤层22被设计成用于将活性感测层18与一些环境刺激隔离。也就是说，过滤层22可以通过仅允许期望的环境信号与活性感测层18接触和/或与其反应来增强换能器10的功能或选择性。过滤层22的材料和性质取决于正在制造的换能器10的类型。过滤层22优地选由从由金属膜、聚合物膜、陶瓷膜、单晶膜、离子选择性膜、化学选择性膜、生物选择性膜、金属氧化物膜、金属氮化物膜、有机金属膜和前述的组合组成的组中选出的材料形成。过滤层22可以是导电的或电绝缘的。此外，过滤层22可以通过任何合适的技术沉积，包括从由丝网印刷、喷涂、印刷、喷墨印刷、柔性板印刷、凹版印刷、拉杆涂布、浸涂、光刻技术、旋涂、蒸发、溅射、层压、激光烧蚀、ALD、CVD和PECVD组成的组中选出的那些技术。过滤层22的厚度优选地为从大约10nm至大约150μm、更优选为从大约50nm至大约100μm、并且甚至更优选为从大约100nm至大约2μm。
当存在时，过滤层22优先允许期望的气体通过，同时阻挡任何不期望的环境信号。优选地，过滤层22应具有高的气体透过率和低的气体吸收率和反射率。过滤层22应具有至少大约50g/m2/天、优选地至少大约500g/m2/天、并且更优选地从大约2000g/m2/天至大约5000g/m2/天的如通过ASTM方法F1249测得的气体扩散速率。例如，对于湿度换能器10，过滤层22是诸如从由纸、纤维素纸、GoreTex材料、PVDF和PTFE以及任何多孔的、透湿层组成的组中选出的材料的透水膜。对于非分析物(不是所需测试气体的气体或材料)，过滤层22应具有相对于非分析物小于大约1g/m2/天、优选小于大约0.01g/m2/天、更优选小于大约0.001g/m2/天的如通过ASTM方法F1249测得的扩散速率。
多像素换能器
在另一个实施例中，多个换能器可以被布置在单个设备中。有利地，多个换能器可以被印刷在最小化设备面积的电极配置上，允许多个“像素”一起或独立地操作，以使得能够检测多于一种气体，或者能够更精确地检测单个气体。图2显示了4像素配置。
使用方法
已经证明，可以将小于大约4,600A/cm2的电载流子电流密度施加到20-50nm厚的CNT活性感测层18而不损坏该层，只要电流电流施加的时间足够短。另外，在一些传感器结构中，围绕活性层的聚合物介电区域可承受大约4,200V/cm的电场大约100μs而没有介电击穿。对于在没有材料降解的情况下保持此类大的能量密度(～19x106W/cm3)，必须以短脉冲传递能量。脉冲必须小于大约100μs，更优选地小于大约70μs。对于这些短时间段，该能量可以沿载流子传导路径从电触点传递到电触点，而不会损害活性感测层18和周围层的物理形态或化学结构。
收集在活性层内和活性层周围的环境组分将从设备周围的当前的大气环境扩散到传感器结构中。随着设备达到平衡，环境组分扩散到结构中，引起活性层的电导率的变化。对于感兴趣的分析物以及不感兴趣的分析物，这些变化可以表现为设备电导率的滞后或不稳定性。
通过将能量放入系统中，可以反转环境组分向活性层中和向活性层周围的扩散。然而，对于薄膜传感器，这可能是困难的，因为施加到活性层的能量密度必须足以反转扩散过程，但必须足够低以至于它不会损坏或以其他方式不可逆地改变活性层和周围层。使用脉冲式能量应用，可以精确地控制活性感测层18和周围层的温度，允许传感器在增加的温度下检测气体，以及将设备的温度增加到足以清除气体或不需要的环境组分的水平。
由于这个相当大的能量密度u集中在导电CNT之间的界面区域，其中范德瓦尔斯键和氢键环境组分干扰传导过程，实现了基本的非平衡加热。该区域的温度T由以下差热方程确定：
其中，ρ是活性层和周围层的平均密度，cp是活性层与周围区域相结合的比热，κ是周围区域的热导率，t是时间。如果要使能量密度脉冲期间的温度上升最大化以使环境组分与活性层分离并流出该区域，则需要尽可能低的cp和κ。例如，基于CNT的活性层与基于聚合物的顶层(低κ)相组合将允许活性层中的温度峰值比如果基于CNT的活性层在一侧被硅基底包围(相对较高的κ)的情况高得多。
施加这种能量密度的一种特别优选的方法是通过活性层生成能量的“脉冲序列”。图3中示出一个此类的脉冲序列时序图。这些电压脉冲通过设备电极14、16连接，以加热传感器设备中的活性感测层18。这些脉冲具有足够高的平均能量和重复率，以快速加热活性感测层18和周围区域而没有热失控，以及具有足够低的峰值能量，从而不会永久地破坏活性传感层18和周围的层的物理形态和化学结构。在图3中，纵轴是能量密度，横轴是时间。持续时间τ的各个高能量脉冲被显示为垂直线。脉冲被布置在脉冲的总数的脉冲序列中，脉冲的总数由脉冲时间如图中T1所示的加热周期与脉冲重复率的乘积来确定。在脉冲加热期间测量设备的电阻，并用Rd表示。紧接在脉冲序列之前，活性感测层18的电阻在图中被测量为Rb。紧接在脉冲序列之后，活性感测层18的电阻在图中被测量为Ra。指定为T2的图中的时间是允许像素在脉冲序列之间冷却的时间。
在图3中的Ra所示的时间，激活层的电导率测量将表示加热后该层的电导率。取决于脉冲序列的长度和脉冲的数量，该测量将是在没有感兴趣的分析物或环境干扰的影响下的测量，或者在增加的温度下对环境影响的感兴趣的分析物的测量。
脉冲序列控制最终温度。每个像素接收单个的脉冲序列，并且在由IR相机系统测量的小于大约100ms内达到热平衡。假如脉冲序列被正确编程，则像素/近基板区域的热质量(thermal mass)防止像素温度振荡。控制最终平衡温度的脉冲序列的参数是脉冲电流、脉冲重复率和脉冲持续时间。所需的电流量取决于像素电阻和入射电压，因为像素电阻在加热过程期间的变化并且可以通过动态地控制脉冲占空比来补偿。重复率和持续时间等同为脉冲占空比(电流流动的时间百分比)。例如，要使典型像素达到200℃，在像素电阻大约为10kΩ、占空比约为8％的情况下，需要100V的入射电压(即，对于800μA的平均电流，10mA流过像素8％的时间)。
占空比用于控制温度。这种方法的主要优点是占空比是从晶体振荡器导出(倒计数)的时序信号。这些振荡器具有大于1ppb的精度，而不是控制电压或电流，其中精度被限制到百分之一(1％)或每千之几(0.3％)的量级。因此，时序信号通常允许比电压或电流信号更精细的控制，这是众所周知的电子学原理。因此，时序信号可用于非常精确地控制温度。
控制占空比(通常是脉冲重复率)以获得通过像素的期望电流。像素具有脉冲重复率和像素温度之间的校准曲线(该曲线取决于像素电阻、背景温度、热损失的架构、辐射、传导和对流热损失)。电流和像素温度之间的这种关系由微控制器中的查找表提供。
当电流波动时，该误差信号被反馈到微控制器并且脉冲序列被修改以保持电流(并因此温度)恒定。这些误差信号可用于指示像素对周围气体的反应。
在第一操作模式中，仅测量Rd，因为脉冲序列从不断开，而替代地，脉冲序列被测量(以确定电流)以维持恒定温度。这种操作模式对于快速反应的气体(诸如H2和CO)是有效的。
在第二操作模式中，像素的温度可以在两个或更多个温度之间波动，例如，脉冲序列可以在室温下断开，并且然后脉冲序列在更高温度下接通。应该注意的是，系统可以在许多不同的像素温度下操作，或者脉冲序列永远不会断开，而是然后在室温与更高的温度之间的较低的温度下进行控制。
在由Rb、Rd和Ra所描述的模式中，系统在两个温度下操作，室温(脉冲序列断开)和更高的受控温度(脉冲序列接通)。Rb和Ra表示脉冲序列关闭时像素在室温/背景温度下的电阻。Rd表示当脉冲序列在较高温度下接通时像素的电阻。当测量水蒸汽气体浓度时，需要这种特定的操作模式。水蒸气相对于空气浓度扩散到像素中，并且该效果改变像素的电阻并且可以被测量。然而，当像素周围的水蒸气浓度降低时，并非所有水蒸气都离开像素。在许多情况下，一些水仍然被保留在像素中。为了获得精确测量，必须将像素加热至100℃以使其干燥。因此，Rb测量自上次干燥后的水蒸气浓度、Rd测量像素干燥温度、以及Ra测量干净的干燥的像素电阻。Rb和Ra之间的差值代表像素周围空气中的水蒸气浓度。此模式适用于其他气体(诸如CO2和挥发性有机化合物)。
在第一操作模式中，表示作为温度函数的气体吸收的曲线是暴露于气体时在不同受控温度下的误差信号(其表示Rd的波动)。在低ppm或ppb气体浓度下，该曲线被预期具有相同的形状，但强度随着气体浓度水平的变化而变化。
在第二操作模式中，消除来自像素的气体的温度的指示参数是Rd。例如，如果像素在100℃时被清除，则气体可能是水；如果在50℃时被清除，则气体可能是酒精；以及如果在170℃时清除，则气体可能是CO2。取决于气体和像素化学物质之间的挥发温度和化学势，每种特定气体具有从像素中释放出来的唯一的温度。
在第一模式中，如果像素处存在气体混合物，则最终信号表示每种气体的这些曲线的线性组合。未知参数是每种气体的浓度水平。最终信号可以通过最小二乘拟合过程实时拟合到曲线的库(数据库)。最终结果将是气体类型和浓度水平的表格。
在第二模式中，每种气体类型可以根据通过增加温度来加热像素和通过监测Rd来确定。如果Rd在特定温度下变化，则温度可用于识别气体。
图4中示出了用于生成图3中所示的脉冲信号时序图的电子方框图。计算机200通过输出G1、G2和G3的数字控制来控制如图3中所描述被执行的过程的时序。该电路通过输出202向计算机200发送关于活性感测层18DC电阻的信息。通过图4的顶部所示的高电压源206向脉冲调制器204提供高能量。脉冲调制器204内部固定脉冲序列内的脉冲与脉冲的持续时间τ之间的时间。脉冲序列的总时间T1以及因此传递到活性层的总能量由计算机200通过G1进行门控或控制。计算机200通过图4的中心的信号选择器208控制G2，在脉冲清除和DC电阻测量操作模式之间进行选择。计算机200还可以通过G3和电流反向电路210将通过活性感测层18的电流进行反向。软件通过控制信号选择器208和脉冲调制器204来控制Rb、Rd和Ra测量值T2之间的时间。
该实施例中使用的电路如图5和图6所示。该电路在U2处使用CMOS 74HC221(互补金属氧化物半导体)单触发设备，以提供可通过R1调节的5μs至100μs之间的固定脉冲宽度。被门控的方波信号或通过U6的计算机或图4中的G1触发集成电路U2。计算机G1通过门U6控制时间T1。Q1处的设备是高性能IXYS IXTP3N100D2耗尽型MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)，能够在漏极电流为3A时提供1000V电压。当栅极电压为-5.0V并且脉冲电压至+2.0V时(由U3和R2设置)，Q1保持断开以传递高能量脉冲。U4信号中的运算放大器调节来自计算机G2和G3的数字输出，以控制RLY1处的信号选择器和RLY2处的电流反向。DC电阻测量通过J5完成，活性感测层18通过J7连接到电路。该实施例还包括连接到R11和R12处以及R9和R10处的网络的放大器，以在脉冲期间分别测量活性感测层18中的电压和电流。对于设备的脉冲调制器部分的该实施例，这些输出可以被连接到J2和J3处的数据采集设备。通过J4处的方波输入和U8处的比较器重复生成脉冲。
图7中示出了示例性脉冲序列的脉冲峰值电压监视器(顶部)的输出和脉冲峰值电流监视器(底部)的输出。脉冲序列入射在测试设备上并且在如图3所示的脉冲序列期间所产生的电压跨过设备并且所产生的电流流过设备，其中结果如图7所示。在脉冲序列之前和之后，测量设备的电阻。在该图中，水平刻度为每分度50μs，并且脉冲峰值电流脉冲两侧的尖峰是脉冲快速断开和接通时电容耦合的结果。在寄生电容器充电后，稳态电流是明显的。电压(上部线)快速接通，但由于脉冲放大器的小的断开电阻，一旦电流脉冲断开，电压就会缓慢衰减。电流脉冲两侧的尖峰是样本保持器中杂散电容的结果。
通过控制总入射脉冲电压(并且因此峰值脉冲能量)、脉冲持续时间τ、脉冲序列入射到活性层上的时间长度T1、以及脉冲序列内的脉冲重复率可以控制活性层和周围层的温度。
使用这种配置，如果阻抗测量优于电阻测量，则DC测量系统可以容易地与AC测量互换。
使用方法
活性层的温度控制对于区分已扩散到活性层和周围区域中的不同环境组分可能是重要的。例如，在SnO2金属簇材料中，电子的簇到簇传输是CO-的函数，CO-弱结合到簇的表面。在高于250℃的温度下，这些键被破坏(并且CO的活性层被清除)。如上所述，这是与CNT活性层内的导电区域和绝缘区域之间发生的过程非常相似的过程。因此，可以预期存在与活性层的环境相互作用的热活化。
气体传感器包括像素，该像素包括两个电极14、16和导电活性感测层18。活性感测层18在气体传感器中起两种作用。首先，它的电子特性会受到与环境刺激(诸如空气中的气体)相互作用的影响。优选地，这是当电流通过活性感测层18时电极14、16之间的电阻变化，称为“相互作用电阻”。使用低电流密度测量相互作用电阻可以指示存在于活性感测层18上的刺激的类型和数量。第二，活性感测层18可以用作微型加热器或纳米加热器，因为其温度可以通过使电极14、16之间的高电流密度通过活性感测层18来控制。通过改变传感器像素的温度，可以改变其与环境刺激的相互作用，这将改变活性感测层18的电子特性，从而导致不同的相互作用电阻。
有利地，像素中的活性感测层18作为传感器和加热器的双重使用提供了优于现有技术的气体传感器的明显优势。虽然大多数现有技术的气体传感器依赖于大型加热器，但是活性感测层18的小尺寸和热质量允许像素的温度快速变化，而与周围的设备温度无关。也就是说，像素具有非常小的热惯性，因此可以在不到一秒的时间内实现温度上升、浸泡和扫掠。另外，由于低质量加热器的非常小的热容量，在达到特定温度时消耗功率非常小。
通过将各个像素的温度控制或增加到不同的温度，可以测量独特的气体吸收特性。例如，在不同的温度下，气体可以或多或少地强烈地粘附到活性感测层18，或者可以完全被驱除。这些热诱导的不同气体吸收特性可用于产生不同气体的相对于温度的特征吸收曲线。
众所周知，各种气体与材料的吸收、吸附或反应将随着浓度和温度的变化而改变各种材料变化的阻力。图8显示了四种假设的气体吸收曲线。图8中的曲线可用于对传感器设备在确定气体成分和浓度时的响应进行建模。在该图中，不同气体的热吸收谱由不同的曲线G1至G4示出。每种不同的气体具有作为温度函数的不同气体吸收谱。
图8中还示出了气体谱的典型温度范围，其中根据特定的气体类型，从室温到大约600℃测量气体吸收过程。图9示出了在70℃至120℃的区域中的示例性曲线，作为具有特征函数f(x)、g(x)、h(x)和j(x)的气体G1-G4的曲线。在操作中，活性感测层18的温度可以在该范围内上升，可以在该温度上升过程期间测量活性感测层18的电阻变化。结果可以是由ψ(x)表示的曲线，其中x＝T/T0，并且T0是恒定的特征温度。可以将气体成分获得为第一近似值，以符合以下等式：
ψ(x)＝n1f(x)+n2g(x)+n3h(x)+n4j(x)
其中n1、n2、n3、n4表示通过它们各自的函数f(x)、g(x)、h(x)和j(x)的气体G1-G4的浓度。例如，如果未知气体是G1，则通过匹配曲线形状f(x)来确定气体，并且通过量值n1来确定浓度。如果f(x)是线性的，那么类型由斜率来确定，浓度由y轴截距来确定。
可以将所测量的电阻与已知的谱进行比较，以确定各种气体或气体组合的身份和浓度。随着浓度增加或减少，信号函数的y截距的量值增加或减少，但线的斜率不变，这是吸收谱形状的特征并且在大多数浓度水平下不会改变。
另外，各种信号增强层20或过滤层22可以与活性感测层18结合使用，以进一步增加像素的响应或增加像素的选择性。与感兴趣的气体容易相互作用的一种或多种材料可用作信号增强层20、或者包含在活性感测层18内、或者包含在活性感测层18和环境之间。此类信号增强层20可以增加相互作用电阻变化，导致更低的检测阈值和更好的信噪比。或者，过滤层22可以被定位在活性感测层18和环境之间，以防止不想要的刺激与活性感测层18相互作用，这可以进一步提高像素的灵敏度和特异性。应当理解，信号增强层20或多个信号增强层20以及过滤层22或多个过滤层22可以彼此结合使用。
有利地，多个像素可以一起用作阵列。在一个实施例中，每个像素具有相同的成分。当与具有低导热率的基板12一起使用时，可以独立地控制每个像素的温度，并且可以同时测量各种温度下的相互作用电阻。这可以导致更快的传感器速度，因为可以一次测量一系列温度，而不是通过不同的温度使单个传感器像素上升。
在另一实施例中，一个或多个像素(也称为像素传感器)可具有不同的成分。也就是说，像素可以“被混合和被匹配”，使得一些像素具有由单一、均匀的成分(即，在整个层中化学上相同的成分)形成的活性感测层，而一些像素可以具有作为不同成分的混合物(例如，与另一种材料混合的信号增强材料，诸如碳纳米管)的活性感测层。可以在每个像素中避免信号增强层，或者可以将其包括在特定传感器阵列的一个或多个(或甚至每个)像素中。在该实施例中，每个像素可以被控制到相同的温度或到不同的温度。不同成分的像素将与各种气体进行不同地相互作用，并且可以更精确地用于确定一种气体的身份和浓度，或者可以同时确定多于一种气体的身份和浓度。
温度控制通过作为温度函数的气体吸收曲线与传感器精度相关联。如果吸收曲线在设备温度附近快速变化，则必须保持控制，使得背景温度的波动不会引起误报信号。因此，可能需要附加的温度和相对湿度传感器来控制传感器系统的基线。如果背景温度和气体吸收曲线是众所周知的，则可以在加热器中耗散调节的能量以达到所期望的温度。
在另一个实施例中，本发明提供微型加热器或甚至纳米加热器。在该实施例中，可以通过应用一系列电脉冲来加热加热层。每个单独的脉冲优选地小于大约100微秒、更优选地小于大约70微秒、甚至更优选地大约1微秒至约70微秒。可以将一系列脉冲传递到加热层一段时间，以便经由焦耳(Joule)加热或欧姆(ohmic)加热来加热该层。该系列脉冲优选地具有短的持续时间，即小于大约5秒、优选地小于大约3秒、更优选地小于大约1秒、甚至更优选地从大约1微秒至大约1秒。
用于这些电脉冲的电压优选为从大约25V至大约500V、优选为从大约50V至大约350V、甚至更优选为从大约100V至大约200V。加热层中的电载流子电流密度根据电阻和所期望的温度范围而变化，但通常为从大约1,000A/cm2至大约10,000A/cm2、优选地从大约1,500A/cm2至大约7,000A/cm2、更优选地从大约2,000A/cm2至大约5,000A/cm2。加热层经历温度增加至少大约50℃、优选地至少大约100℃、更优选地至少大约150℃、甚至更优选地大约200℃至大约300℃。
加热层的厚度、加热层形成的材料和其他性质与以上关于活性感测层描述的那些相同。然而，在优选的实施方案中，加热层基本上由碳纳米管组成、或者甚至由碳纳米管组成。
如前所述，该加热特征可用于“重置”或清除传感器设备，但是应当理解，本发明的该实施例在传感器技术之外的其他应用中也是有用的。例如，该特征在加热需要与加热层附近的层、组件、设备等基本上隔离的环境中是有用的。该实施例发现在水分(例如来自水)和/或挥发性有机化合物(“VOC”)可能是有害的环境中特别适用，并且需要控制地去除水分和/或VOC，特别是当该环境是微环境甚至纳米环境。本发明方法将导致至少一些要被去除的特定目标化合物的去除或蒸发，优选地至少大约70％的目标化合物、更优选地至少大约90％的目标化合物、甚至更优选地大约100％的目标化合物。
此类环境的一个示例是在微电子领域，其中即使存在的少量水分也可能对存在的电子器件有害，但同时这些电子器件的加热会损坏它们。在许多这样的环境中，加热层将被定位在聚合物层、发光二极管(“LED”，但特别是有机LED)、玻璃层等附近，并且加热层可以被加热以去除任何水分但是在不加热聚合物层、LED或其他附近组件的情况下，这可能导致其软化和/或移动。无论与加热层相邻的层或组件的类型如何，该层或组件优选地经历小于约20℃的温度增加、优选地小于大约10℃、更优选小于大约5℃、甚至更优选地大约0℃。
在一些应用中，仅需要在上面讨论的电压处的单个脉冲序列和时间帧的单个脉冲序列。例如，如果加热层被包括在需要去除水分和/或VOC的微电子设备中，则如上所述给出的一个脉冲序列可足以去除设备内存在的任何水分或VOC。在一些应用中，可能需要重复该系列一次或多次，这些重复之间存在间隙。
示例
下面的示例阐述了根据本发明的优选方法。然而，应该理解，这些示例是以说明的方式提供的，其中没有任何内容应当视为对本发明整体范围的限制。
示例1
CNT活性层环境传感器的制造
许多传感器测试设备(诸如换能器100)在图10a、图10b、和图10c中所示的配置中被合成。用于设备的基板12是厚度为125微米的HN薄膜(杜邦(DuPont)、Circleville、OH)。然后使用AG-800银导电油墨(导电化合物)丝网印刷，(丝网印刷机型号：AT-60PD、丝网：聚酯、230线/英寸、泛光/刮刀速度：225mm/s、溢流杆压力：10psi、刮板压力：25psi)银电极14、16到基板12上，并在传送炉中以10”/分的速度在130℃下固化。固化的Ag电极14、16具有5μm±2μm的厚度。使用以下参数将CNT活性层(Brewer科技公司、Rolla、MO)喷涂穿过电极14、16：压板温度：135℃、扫描宽度：2mm、流速：10ml/hr、扫描速度：60毫米/秒、喷头：Sono-Tek、型号：048-00214，使用3次穿过电极区域。然后用SOC304材料(Brewer科技、Rolla、MO)将设备直接喷涂在CNT活性层顶部。材料的喷涂条件为：以喷射宽度为1mm喷涂2次、注射速度为10mL/hr、超声功率设置为2.4W、气压为1psi、扫描速度为60mm/s、以及压板温度为135℃。
选择多个设备进行测试。将所选择的设备分开并用来自Nicomatic北美公司(Warminster，PA)的短的阳极锡压接引脚#13595-12固定。在正常大气(STP)条件和25％RH下合成后，所选择的设备的起始电阻通常直接在60kΩ和600kΩ之间。
示例2
湿度传感器的脉冲清除
在环境室中测量示例1中制造的传感器，其中温度和相对湿度都变化。测量样本的活性层的DC电阻，首先不使用脉冲清除，然后使用脉冲清除。
环境室提供样本周围的相对湿度和温度环境的受控的波动。环境室还包括两台经校准的、标准化的传感器、HIH-4000-003湿度传感器和LM335Z高精度温度传感器，以用于测量环境室内靠近被测传感器的相对湿度和温度。环境室被编程以产生图12中所示的环境。该分布分为两个循环，RH循环和T循环。在RH循环期间，温度是恒定的，并且在T循环期间RH是恒定的。12小时后RH达到90％(未显示)。
在该示例中，可变电子电流脉冲序列参数是70μs的脉冲宽度、400Hz的重复率和100V的恒定峰值脉冲电压。电子脉冲序列用于对像素中的活性感测层18加热4.4秒，然后测量电阻。在允许像素冷却并收集水分的附加15分钟之后，再次使用脉冲序列加热像素4.4秒，并在整个实验过程中重复这种模式。
样本中活性层的DC电阻仅在脉冲清除序列之后在图3中的Ra所示的时间处被测量。通过活性层来反向电流并再次测量DC电阻。然后计算图13中所示的实际R_meas为正向值和反向值的平均值。在图13中，蓝色数据表示没有脉冲清除的DC电阻的测量，橙色数据表示具有脉冲清除的测量。图13右侧的数据清楚地显示(红色菱形)，在90％相对湿度下，对活性层内和周围区域中的水蒸气的电导率有10％的贡献。脉冲清除该水蒸气区域之后，样本的电阻(蓝色方块)跟随样本的实际温度达到优于1％。另一个结果如图14所示，其中传感器通过图12所示的相同温度循环和湿度循环，其中脉冲转换为温度期间的电阻与由标准化传感器测量的温度一起绘制。由标准传感器(正方形)所测量的设备的实际温度与转换为温度(三角形)的设备电阻之间的相关性如图14所示。这些结果表明环境湿度对电阻的影响已经减少或消除。
当用作湿度传感器时，该传感器和脉冲清除技术可以通过测量具有如图15所示的脉冲序列的活性层的电阻和没有如图15所示的脉冲序列的活性层的电阻来确定由暴露于湿度引起的差值。图15显示由标准传感器(正方形)测量的湿度和由脉冲序列之前的电阻与脉冲序列(三角形)期间的电阻之间的差值确定的湿度。这两个测量值彼此良好相关，并且该设备能够在温度循环期间在没有温度交叉信号的情况下测量湿度。通过将该差值校准到实际RH，可以确定环境湿度信号。图16和图17示出了单个传感器如何通过改变操作模式来彼此独立地测量温度和湿度。可以通过使用脉冲序列期间的电阻来测量温度，并且可以通过取脉冲序列之前和脉冲序列期间的电流差值来测量湿度。图16示出了在温度循环期间作为设备的温度的函数的脉冲序列期间的设备电流(～1/R)。线性关系表明在该测量模式中，传感器是良好的温度传感器。图17示出了传感器信号，作为在RH循环期间作为脉冲序列之前的设备湿度的函数和脉冲序列期间的设备湿度的函数的电流差。这种线性关系表明，在这种模式下操作时，传感器是良好的湿度传感器。
示例3
使用CNT薄膜和脉冲清除来防止水扩散
如示例1中所制造的传感器，除了使用的基板12是透明PET基板12，该基板12具有估计为30nm±20nm厚的CNT活性层。在这些非常低的活性层厚度下，活性层的质量可以忽略不计，并且因此活性层周围区域的温度升高更多地是周围信号增强层20或基板12中的热容量的函数，而不是活性层厚度的函数。在这些厚度下，电极14、16之间的窗口中的活性层是透明的，使得整个设备(活性层和基板12)在该窗口中是透明的，这对于一些应用(诸如OLED)是必要的。在该示例中，电极14、16之间的窗口是2.54平方毫米，但是由于每平方电阻是常数，因此可以缩放到更大的几何形状。
环境室中的RH保持恒定88％，温度保持恒定在28℃。将传感器放置在环境室中三小时，以使其与周围环境达到平衡。三小时之后，样本的电阻下降12％。这种变化是温度升高导致电阻下降和湿度增加导致电阻升高的净效应的结果。
通过使用计算机控制如以上所描述的U6处的栅极，在活性层中生成热量的4.5秒脉冲序列接着是在活性层中不产生热量的900秒的间隔。这种低占空比过程用于最小化活性层中保持活性层周围区域干燥所需的平均功率耗散。尽管水通过介电膜的扩散速度很慢，但该过程表明即使在非常炎热和潮湿的条件下，具有短的高峰值能量的非常低的平均功率也可以有效地阻挡来自活性层中的水。在这些低脉冲序列占空比(4.5/900＝0.5％)下，阻挡水扩散所需的总能量很小，并且该技术具有实用价值(诸如对于水敏OLED)。
图18示出了给定图3中所示的形式的脉冲清除信号时活性层电阻作为时间的函数的结果。上部图表示出了样本设备在室内在88％RH和28℃下三小时之后的干燥过程。下部图是在上部图之后立即扩展的时间标度。信号的具体条件是：T_1为4.5秒、T_2为15分钟、τ为68μs、N为6,800、脉冲能量为104μJ。从图18中所示的数据可以看出(随着时间从图中的顶部图表进行到图中的底部图表)，电阻在测量点之间的15分钟间隔期间稳定并且不会系统地波动。这表明水蒸气继续从活性层和周围区域扩散出，并且当脉冲序列关闭长达15分钟时不会扩散回来。
在该示例中主要关注的是脉冲清除技术所需的平均能量，以保持活性层和活性层下方的区域干燥。由于脉冲长度仅为68μs并且每15分钟有6,800个间隔，每个间隔具有104μJ的能量，因此平均功率可计算为0.8mW。这对应于脉冲清除技术所需的最大平均电流，以保持传感器干燥约100.0μA。在这些低电流水平下，AA电池可以提供足够的能量以使传感器保持干燥10,000小时。这种低能量需求是被加热的非常薄的区域，但可以有效地阻止水的扩散的反映。
示例4
脉冲清除设备内的温度控制
将示例1中制造的传感器(均选择在60kΩ范围内)安装到空气中的热隔离结构，并且以不同的能量进行脉冲，并且利用经校准以可读取温度高达100℃的红外(IR)相机(Fluke型号TiR3)测量活性层的温度。将相机定位在距样本前表面大约50cm处。通过将测量光标放置在前表面的图像上方的IR相机显示器上来测量前表面的温度。当传感器表面的温度在脉冲序列期间增加，并且在大约2.0秒后达到平衡，相机(采样刷新率为133ms)测量最大温度。对于该示例，使用以下条件：T1为4.5秒、T2为15分钟、τ为68μs、以及N为6,800。通过在脉冲期间改变峰值电压Vp来改变每个脉冲的能量，因此将能量计算为(Vp 2)/Rmeas。在图19中，作为脉冲清除的结果在传感器表面上获得的温度相对于峰值脉冲电压Vp绘制。这些斑块之间Vp的变化是Rmeas变化的结果。该图表清楚地表明，可以通过控制峰值脉冲能量来控制从活性层强制的温度和因此的挥发性类型。该技术将能够实现外部样本环境中挥发物的选择性确定。
图20示出了Rmeas和始终地产生大约200℃的温度所需的Vp。该最终温度是基于在该温度范围内占主导的对流传热过程的线性特性以及在示例1中制造的传感器表面上将测量数据线性外推至100℃。达到200℃所需的电压随着传感器的电阻线性增加，传感器的电阻来自电阻与温度呈指数下降的组合，并且对于电阻低于约61k欧姆时，功率随着电压的平方上升。对于高于61千欧姆的电阻，电压电平稳定并降低，因为在电压和电阻(以及相应的电场)的这种组合下，迫使附加的载流子从活性层中的导电颗粒到被称为载流子雪崩效应的绝缘区域上。出于比较目的，整个区域的线性响应由黑线示出。
示例5
使用脉冲加热的高温
脉冲加热用于在示例1中制造的传感器的表面上产生非常高的温度。在T_1为4.5秒、T_2为20分钟、τ为68μs、以及N为9,067的脉冲条件下，其中脉冲峰值电压为1.01×R_0(其中R_0是设备的初始室温电阻)，SOC材料在大约250℃下分解。使用T_1为4.5秒、T_2为20分钟、τ为68μs、以及N为9,067的脉冲条件，其中峰值脉冲电压为约1.35×R_0，薄膜基板12在大约600℃下热解。例如，具有281千欧姆的室温电阻的设备在380伏特下热解。在热解温度以下，样本的CNT活性层未受损，并且在室温电阻中没有示出显著变化。图21示出了热解传感器的图像。
示例6
CNT/钯气体传感设备的制造
如图10a、图10b和图10c所示，在ST730PET基板12上制造的设备。然后使用AG-800银导电油墨(导电化合物)丝网印刷，(丝网印刷机型号：AT-60PD、丝网：聚酯、230线/英寸、泛光/刮刀速度：225mm/s、溢流杆压力：10psi、刮板压力：25psi)银电极14、16到基板12上，并在传送炉中以10”/分的速度在130℃下固化。固化的Ag电极14、16具有5μm的厚度。使用以下参数将CNT活性层(Brewer科技公司、Rolla、MO)喷涂穿过电极14、16：压板温度：135℃、扫描宽度：2mm、流速：10ml/hr、扫描速度：60毫米/秒、喷头：Sono-Tek、型号：048-00214，使用3次穿过电极区域。然后在大约120mTorr的压力和大约30mA的等离子体电流下在表面上DC溅射绝缘钯层350秒。钯层的厚度是溅射时间的函数，并且被调节使得原子或分子形态是非导电的簇或岛的形态。以这种方式制造了32个设备。
示例7
4像素气体传感器的制造
根据图2中所示的四像素设备图制造传感器。四个矩形中的每一个矩形是基于CNT的“像素”，而其他五个形状是电极。四像素设备的图片如图22所示。
四个像素在成分上是相同的，并且由利用SnO2功能化的CNT墨水形成。在氮气下将配备有干燥回流冷凝器的经烘箱干燥的三颈烧瓶和干燥的加料漏斗放入油浴中。将20毫升无水1,3-丁二醇(西格玛奥德里奇(Sigma Aldrich)产品号：309443，Lot#SHBG0918V)置于加料漏斗中并添加到烧瓶中并以350rpm搅拌。然后，经由注射器将2.5毫升(0.00070411摩尔)的异丙醇锡(IV)(10％在异丙醇(IPA)/甲苯中，西格玛奥德里奇(Sigma Aldrich)产品号：760153，MW＝355.06)放入反应烧瓶中。在油浴中加热到100℃。溶液没有混浊，表明没有形成SnO2。通过侧臂中的一个侧臂将二十五毫升分散在2-甲基-1,3-丙二醇中(西格玛奥德里奇(Sigma Aldrich)，MO，产品号：375721)的功能化的Tubal碳纳米管(Brewer科技公司，Rolla，MO，550nm下的光密度＝47.8)添加到烧瓶中。
反应30分钟之后，温度设置为200℃，定时器设置为1200分钟。1200分钟之后，关闭反应并冷却至室温。在不进行进一步处理的情况下，收集并印刷该油墨。
使用ATMA AT-60PD丝网印刷机在基板12上印刷图2所示设备的四个像素的银电极，并在像素丝网印刷程序之前进行热固化。将SnO2涂覆的碳纳米管墨水丝网印刷在银电极的顶部。刮板速度设置为125mm/s。使用123-70PET筛网和8μm乳剂(Sefar公司提供的E80)。将油墨在280°F的传送炉中干燥，其中以46英寸/分钟的速度运行。没有封装层印刷在像素的表面上。
在设备合成过程之后一天测量像素的电阻，并示在表1中示出。该表示出了丝网印刷过程之后每个四像素设备的电阻，单位为千欧姆。基板12上的每个设备由顶部的[行]-[列]命名符标识。下面的四个值是各个像素电阻。
在表征四像素设备之后，进行钯金属物理气相沉积(PVD)过程以在每个像素的SNO2功能化CNT丝网印刷层上产生钯金属岛。5A的钯的电子束沉积在像素的表面上，每次一片。该过程由JVIC设施的应用科学与工程中心执行。在该钯PVD过程之后，再次测量各个像素电阻。表2显示了钯沉积之后的电阻。
表2。钯沉积之后4像素设备的电阻
在表征四像素设备之后，进行钯金属物理气相沉积(PVD)过程以在每个像素的SNO2功能化CNT丝网印刷层上产生钯金属岛。5A的钯的电子束沉积在像素的表面上，每次一片。该过程由JVIC设施的应用科学与工程中心执行。在该钯PVD过程之后，再次测量各个像素电阻。表2显示了钯沉积之后的电阻。
表2。钯沉积之后4像素设备的电阻
示例8
用于痕量气体检测的组件
如图23中的框图所示，构建了痕量气体测试台。
被测传感器在样本室中安装有电真空馈通连接。在测试之前，通过打开主真空阀并打开涡轮泵，将样本室抽空至小于100mTorr(通过对流计(CVG)测量)。控制进入样本室的气体入口的真空阀也打开，以排空从气体流量控制器流到样本室的管线。打开气体的瓶阀，并将调节器设置为标准室压。气体1连接到室内空气，气体2连接到被测气体。测试期间样本室中的压力保持在600托的压力，略低于正常室压(760托)。安全压力释放值在图23中的“A”处略微释放740托。该阀具有非常大的样本室吞吐量，因此如果被激活则内容物立即被排出。
使用两台MKS 179A型质量流量计/的MKS 1177A型和2179A型Mass-控制器用于精确测量流入样本室的气体量。这些仪表在工厂被校准为N2气体，仪表校正因子可用于将这些数字转换为其他气体的流速。例如，N2的应变系数定义为1.00。例如，当使用氢气时，必须根据氢气的比热、密度和双原子性质计算应变系数。使用这些数字，氢气的应变系数为1.011。将应变系数乘以气体2质量流量计上的读数，以确定进入样本室的实际氢气流速。
通过引入STP N2以10.0SCCM(STP立方厘米/分钟)的速率流到恒定温度下的样本室并使用隔膜计测量总压力来精确确定样本室的总体积。隔膜计是Omega型号DPG8001，具有0.1托(Torr)的显示精度并且具有范围为5托至1000托。流入样本室的气体质量(或摩尔数)作为时间的函数可以通过使用179A质量流量计在STP(22.4L/mol)的摩尔体积和气体的分子量下来计算。如果将作为时间函数的流入样本室的摩尔数相对于作为时间的函数的样本室中的压力进行绘制，则结果是非常接近线性的曲线图(理想气体定律)，其中斜率与样本室的总体积成比例。使用理想的气体常数和恒定的背景温度，样本室的总体积确定为942.4cm3。
在将包含测试传感器的样本室抽空后，关闭主真空阀，室内空气通过气体1处的流量控制器流入系统。当由隔膜计读取的样品室中的总压力为600托时，室内空气流量控制器将关闭。这是固态金属/金属氧化物检测过程运行的操作所需的背景空气。
在建立背景信号之后，测试气体以由气体2流量控制器确定的速率流入系统。引入样本室的测试气体的精确量由控制器上设置的流速、应变系数和流量控制器开启的时间量来确定。这些参数由特定实验的细节设置。在测试气体流量控制器开启之前，传感器响应是相对于背景信号。
在这种操作模式中，该系统是气体混合室，而不是气流室。如果泄漏阀打开并且气体流过系统通过测试传感器，它也可以用作气流室。在气体混合操作模式中，测试气体必须从气体输入线扩散到测试传感器，这需要一段时间(扩散时间)。
示例9
像素温度的测试
FLIR相机型号AX5用于测量由于脉冲序列在活性感测层18的加热期间在各个像素内产生的温度。将相机定位在距离示例7中所制造的SNO2/钯四像素设备表面5cm处。相机设置包括30Hz的帧刷新率和低输入带通设置以测量高于100℃的温度。四个像素中只有一个像素被激活；其图像如图24a所示。在图24a中，像素示出为红线和绿线后面的白色(或热)区域。红线和绿线表示在加热脉冲序列循环期间像素内的x和y方向上的温度分布。这些温度分布如图24b(x方向)和图24c(y方向)所示。该分布表示温度的典型高斯分布，其中像素的中心达到最高温度。对于该测试，脉冲序列参数的脉冲宽度为68μs、重复频率为500Hz、恒定峰值脉冲电压为100V。
该脉冲序列对像素的活性感测层18进行加热4.4秒的时间段。在允许像素冷却的附加的30秒之后，脉冲序列再次用于加热像素4.4秒。在实验期间重复该模式。一个加热脉冲列的结果如图24所示。这个长期循环可以在图24d中看到，其中热脉冲每30秒重复一次。应该注意的是，FLIR相机测量像素的表面温度，在微区域和纳米区域生成热量的可能更热。
作为像素电阻和重复率的函数的平均像素温度(由FLIR相机测量)在图25中示出。具有更高电阻的像素需要更高的重复率以实现相同的温度。这是像素电阻较高时，在100V下较低电流的结果。在所有情况下，脉冲宽度固定为68μs。图中所示的功率拟合表示功率定律欧姆加热过程。
图26示出了脉冲序列期间不同像素成分和平均像素电流的像素温度。该图消除了像素对像素电阻的温度依赖性，然而与重复率相比，像素电流在脉冲序列期间是更难控制的参数。为了固定像素平均电流，需要改变电压。
示例10
利用脉冲电子设备的氢气测试
使用气体混合操作模式在示例8中描述的系统中安装和测试示例6中制造的测试传感器。使用图27所示的电路测试样本，其中可变电子电流脉冲序列参数是70μs的脉冲宽度、625Hz的重复率和100V的恒定峰值脉冲电压。
该脉冲序列加热像素的活性感测层18达4.4秒的时间段。然后使像素冷却30秒，之后再次使用脉冲序列加热像素4.4秒。在实验期间重复该模式。在11:30分钟的流逝的时间(如图28中的蓝色箭头所示)，氢气流量控制器开启20秒，其中设置为3.0SCCM。使用腔室的体积(在示例8中确定)，引入样本室的氢气质量与室内空气质量的比率计算为1,358ppm。如图所示，传感器立即拾取痕量氢气信号，并且随着氢气从腔室内的入口扩散到传感器，传感器信号继续上升。在图28中，每个点代表3秒的加热循环。Rb是加热之前的信号，Rd是加热期间的信号，Ra是加热之后的信号。
传感器的灵敏度可以由观察到的信号与波动噪声的比率或信噪比(SNR)来确定。使用图28的线性区域中所示的数据来确定传感器的SNR，如图29所示。从图表中，可以从关于数据的线性最佳拟合的平均波动中计算噪声，如图29中的虚线所示，并且可以从该线的上限和下限中计算信号。使用此方法，此传感器的SNR为140。在SNR为1.0时，信号等于噪声，因此，在传感器的检测极限处。这意味着传感器处于其检测极限，信号为9.7ppm氢气。然而，为了记录良好的SNR，通常需要比噪声高10dB的信号。对于10-dBSNR(即，比噪声更多的信号)，在该示例中使用的传感器设备将需要31ppm的氢气浓度。
该实施例证明，在最大的1,338ppm的氢气浓度和上面设置的脉冲热参数下，传感器理论上可以在10dB的SNR下检测31ppm的氢气痕量气体浓度。
示例11
利用脉冲电子设备和较高像素温度的氢气测试
使用气体混合操作模式在示例8中描述的系统中安装和测试实施例6中制造的测试传感器。以与示例10相同的方式测试样品，但其中可变电子电流脉冲序列参数是70μs的脉冲宽度、800Hz的重复率和100V的恒定峰值脉冲电压。
如在示例10中，该电子脉冲序列对像素内的活性感测层18加热3.0秒的时间段。在允许像素冷却附加30秒之后，再次使用脉冲序列加热像素3.0秒，并在整个实验过程中重复这种模式。脉冲重复率是确定像素的最终温度的参数。随着重复率增加，当前占空比增加(假设脉冲宽度保持相同)，在活性感测层18加热器内产生更大的平均电流。该较大的电流在活性感测层18内产生更多的热耗散，并且在相同的3秒脉冲序列周期之后导致更高的温度。
该实验的结果在图30中示出。在该较高像素温度下，传感器设备对氢气迹线浓度更敏感。在16:30分钟的流逝的时间，仅将113ppm氢气的信号引入样本室。传感器设备响应检测极限为1.6ppm，10dB信号为5.0ppm。随着入口中的氢气扩散到传感器，信号电平继续增加。在800Hz下，该设备以比在625Hz(示例3)下操作以更灵敏的方式操作，其中10dB信号是31ppm。在图30中，每个点代表3秒的加热循环。Rb是加热之前的信号，Rd是加热期间的信号，Ra是加热之后的信号。
就氢气特异性或选择性而言，图2中所示装置的一个像素可以在625Hz下运行，而另一个像素可以在800Hz下运行。结果，在3秒脉冲序列之后，像素中的每一个像素将处于不同的最终温度。如该示例和示例10中所示，由于像素的不同灵敏度(分别为5ppm、31ppm)，这将导致不同的信号。因此，利用这两个像素，可以确定作为温度函数的氢气的唯一的钯金属簇吸收的斜率，使得该设备比当前的单个温度/单个像素设备具有更多的氢气特性。
示例12
利用一氧化碳测试4像素气体传感器
在该实施例中，测量示例7中制造的CNT/SNO2/钯设备对一氧化碳的脉冲加热的敏感性。以与示例10中所述相同的方式确定该设备的性能，以测量脉冲序列之前、脉冲序列期间和脉冲序列之后的活性感测层18的电阻变化，但使用脉冲宽度为70μs、重复率为400Hz、峰值脉冲电压为100V的可变电子电流脉冲串参数。
该电子脉冲序列将像素内的活性感测层18加热4.4秒的时间段。然后使像素冷却30秒，并且再次使用脉冲序列加热像素4.4秒。在整个实验中重复该模式。在该示例中，由于3kΩ像素阻抗较小，脉冲重复率被设置为400Hz。测试期间像素的温度约为122℃。
该示例实验的结果在图31和图32中示出。在11:30:00分钟的流逝的时间，将1.7％CO的信号引入样本室。传感器设备响应检测极限为156ppm，1.0dB信号为176ppm。随着入口中的CO扩散到传感器然后如预期的稳定，信号电平继续增加。
以较低的脉冲重复率再次重复该实验，并因此温度变低。使用200Hz的重复频率，结果得到大约70℃的温度。在较低温度下运行，将相同量的CO气体引入样本室。图33和图34示出了在较低脉冲率下的响应。在该较低温度下、在540ppm下观察到较低的CO灵敏度(对于1.0dB信号)。这种较低的灵敏度是CO吸收曲线作为温度的函数的直接结果。灵敏度的变化除以两个温度的温度变化对于像素增强层中的CO气体热吸收谱是唯一的。
示例13
利用甲烷测试4像素气体传感器
在该实施例中，测量示例7中制造的CNT/SNO2/钯设备对甲烷的脉冲加热敏感性。以与示例10中所述相同的方式确定该设备的性能，以测量脉冲序列之前、脉冲序列期间和脉冲序列之后的活性感测层18的电阻变化，但使用脉冲宽度为70μs、重复率为400Hz、峰值脉冲电压为100V的可变电子电流脉冲串参数。
该电子脉冲序列将像素内的活性感测层18加热4.4秒的时间段。然后使像素冷却30秒，并且再次使用脉冲序列加热像素4.4秒。在整个实验中重复该模式。在该示例中，由于3kΩ像素阻抗较小，脉冲重复率被设置为400Hz。温度约为122℃。
该实验的结果在图35和图36中示出。在11:30分钟的流逝的时间，将1.7％CH4的信号引入样本室。传感器设备响应检测极限为553ppm，1.0dB信号为623ppm。随着入口中的CH4扩散到传感器然后如预期的稳定，信号电平继续增加。
以较低的脉冲重复率再次重复该实验，并因此温度变低。使用200Hz的重复频率，结果得到大约70℃的温度。如在较低温度下运行，将相同(1.7％)的CH4气体引入样本室。图37和图38示出了在较低温度下的响应。在该较低温度下、在1100ppm下观察到较低的CH4灵敏度(对于1.0dB信号)。这种较低的灵敏度是CH4吸收曲线作为温度的函数的直接结果。
示例14
利用水测试气体传感器
图39示出了跟踪的传感器的响应与在200Hz下的环境室中的相对湿度的变化的相对变化，以及以其他方式与上面示出的400Hz情况相同的脉冲参数。具体地，使用70μs的脉冲宽度、400Hz的重复率和100V的恒定峰值脉冲电压。电子脉冲序列用于对像素中的活性感测层18加热4.4秒，然后测量电阻。在允许像素冷却并收集水分的附加15分钟之后，再次使用脉冲序列加热像素4.4秒，并在整个实验过程中重复这种模式。相对湿度从20％上升到80％并再次下降。该峰值处的电阻变化约为16％。因此，当像素以200Hz的速率脉冲时，四像素气体传感器的H2O蒸汽吸收曲线将具有16％的电阻变化的端点，并且当以400Hz脉冲时为0％。由于水蒸汽吸收而产生的这种唯一的斜率可以与气体吸收电阻的变化区分开来，从而赋予装置气体选择性。
示例15
传感器的灵敏度和选择性演示
选择两个不同的平均像素温度(70℃和122℃)以显示在这些温度下电阻值的变化的斜率表示气体CO、CH4、H2和H2O的不同热气体谱。这些点之间的斜率表示气体类型。
通过如示例9中所描述的FLIR AX5 IR研究相机测量这两个点的像素温度。从薄层切下示例7中制造的设备，使用镀锡的压接引脚对电极进行电连接。在示例8中描述的系统中安装和测试设备并使用气体混合操作模式进行测试。用于测量单像素或4像素设备的响应的程序与前面的示例相同，但是具有70μs的脉冲宽度、70℃的200Hz的重复率和122℃的500Hz重复率以及100V的恒定峰值脉冲电压的可变电子电流脉冲序列参数。
如图40所示，气体CO、H2、H2O和CH4以逐步的方式作为时间的函数被引入设备环境中。正好在脉冲序列之后的电阻测量结果如图41所示。对于温度测量之间的线性插值，连接两次测量的线的斜率表示气体类型。
如图41所示，由于传感器在高于100℃的温度下是干燥的，因此在122℃的像素温度下没有水信号。
示例16
确定速度和滞后
首先将示例6中制造的设备暴露于空气中的113ppm氢气，然后将样品室抽成真空。如图42所示，该设备首先以与图30所示非常类似的方式响应氢气，然后在除去氢气之后，信号在引入H2之前返回到原始基线。降低氢浓度的较快响应是由于系统的快速真空泵吞吐量比从入口到样品的气体的扩散较慢。该数据表明设备的速度比从气体入口到样品的扩散时间快。
尽管已经参考附图中示出的实施例描述了本发明，应注意，在不脱离如权利要求书中所述的本发明的范围的情况下，可以采用等效物并作替换。
已经如此描述了本发明的各个实施例，要求保护的新的和期望受专利证书保护的内容包括以下内容：

Claims (63)

1.一种环境传感器，包括：
第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极由导电材料形成，所述电极彼此间隔开并且定位在基板上；以及
活性感测层，所述活性感测层被定位在基板上并与每个电极的至少一部分直接接触，所述活性感测层被配置成用于响应于所述活性感测层附近的组分气体的特性的变化而经历电特性的变化，并且进一步被配置用于直接从所述电极接收能量以将所述活性感测层的温度设置为特定值。
2.如权利要求1所述的环境传感器，其特征在于，所述电特性是电阻。
3.如权利要求1所述的环境传感器，进一步包括信号增强层，所述信号增强层被定位成与所述活性感测层的顶表面接触，并且被配置成用于增强所述活性感测层的电特性的变化。
4.如权利要求3所述的环境传感器，其特征在于，所述信号增强层由从由选择性气体吸收材料、选择性气体吸收材料及其混合物组成的组中选出的材料形成。
5.如权利要求4所述的环境传感器，其特征在于，所述信号增强层包括金属氧化物。
6.如权利要求1所述的环境传感器，进一步包括过滤层，所述过滤层被定位成与所述活性感测层的顶表面接触，并且被配置成用于将所述活性感测层与所选择的环境刺激隔离。
7.如权利要求1所述的环境传感器，其特征在于，所述活性感测层包括碳纳米管。
8.如权利要求1所述的环境传感器，其特征在于，所述活性感测层被配置成用于接收热能。
9.一种环境传感器阵列，包括：
多个像素传感器，每个像素传感器包括：
第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极由导电材料形成，所述电极彼此间隔开并且定位在基板上；以及
活性感测层，所述活性感测层被定位在基板上并与每个电极的至少一部分直接接触，每个像素传感器的所述活性感测层被配置成用于响应于所述活性感测层附近的特定组分气体的特性的变化而经历电特性的变化，并且进一步被配置用于直接从所述电极接收能量以将所述活性感测层的温度设置为特定值。
10.如权利要求9所述的环境传感器阵列，其特征在于，每个像素传感器的所述活性感测层分别由以下部分形成：
a.单个、均匀的成分；或者
b.成分的混合物。
11.如权利要求10所述的环境传感器阵列，其特征在于，至少一个像素传感器的所述活性感测层由单个、均匀成分形成，并且至少一个像素传感器的所述活性感测层由成分的混合物形成。
12.如权利要求10所述的环境传感器阵列，其特征在于，至少一个像素传感器包括与所述活性感测层相邻的信号增强层。
13.如权利要求12所述的环境传感器阵列，其特征在于，所述信号增强层包括金属氧化物。
14.如权利要求10所述的环境传感器阵列，其特征在于，所述成分的混合物包含信号增强材料。
15.如权利要求14所述的环境传感器阵列，其特征在于，所述信号增强材料包括金属氧化物。
16.如权利要求10所述的环境传感器阵列，其特征在于，每个像素传感器的所述活性感测层分别由以下部分形成：
a.碳纳米管；或
b.与响应特定组分气体的信号增强材料混合的碳纳米管，所述碳纳米管和信号增强材料的混合物形成单层。
17.如权利要求16所述的环境传感器阵列，其特征在于，至少一个像素传感器的所述活性感测层由碳纳米管形成，并且至少一个像素传感器的所述活性感测层由与信号增强材料混合的碳纳米管形成。
18.如权利要求9所述的环境传感器，其特征在于，所述电特性是电阻。
19.一种利用环境传感器来确定组分气体的方法，所述方法包括：
a.生成由环境传感器的第一电极和第二电极接收的电脉冲序列，所述电脉冲序列被配置成用于设置所述环境传感器的温度；
b.在生成所述电脉冲序列期间测量所述环境传感器的第一电极和第二电极之间的第一电阻；
c.多次重复a.和b.使得每个电脉冲序列将所述环境传感器设置为不同的温度，从而得到包括多个第一电阻测量的第一谱、每个温度的一个第一电阻测量；以及
d.将所述第一谱与多个响应谱进行比较，每个响应谱对应于多种组分气体中连续的一种组分气体的热谱响应。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括确定哪个响应谱最接近地匹配所述第一谱。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，每个响应谱对应于组合的多种组分气体的热谱响应，并且所述方法进一步包括确定哪个响应谱最接近地匹配所述第一谱。
22.如权利要求19所述的方法，进一步包括确定组分气体的多种组合中的每一种组合的响应谱，并确定哪种组合响应谱最接近地匹配所述第一谱。
23.如权利要求19所述的方法，其特征在于，每个电脉冲是电压脉冲。
24.如权利要求19所述的方法，其特征在于，每个电脉冲是电流脉冲。
25.如权利要求19所述的方法，其特征在于，每个电脉冲序列生成持续第一时间段并且包括多个电脉冲，每个电脉冲具有脉冲宽度持续时间，其中所述电脉冲序列以重复率生成。
26.如权利要求19所述的方法，进一步包括在生成连续的电脉冲序列之间等待第二时间段。
27.如权利要求19所述的方法，其特征在于，每个第一电阻测量是在一个电脉冲序列期间进行的多个电阻测量的平均值。
28.一种利用包括多个像素传感器的环境传感器阵列来确定组分气体的方法，所述方法包括：
a.生成由每个像素传感器的第一电极和第二电极接收的电脉冲序列，所述电脉冲序列被配置成用于为每个像素传感器的设置不同的温度；
b.在生成所述电脉冲序列期间测量多个电阻，每个电阻在连续的像素传感器的第一电极和第二电极之间测量，从而得到包括每个温度的一个电阻测量的谱；以及
c.将所述谱与多个响应谱进行比较，每个响应谱对应于多种组分气体中连续的一种组分气体的热谱响应。
29.如权利要求28所述的方法，进一步包括确定哪个响应谱最接近地匹配所述谱。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，每个响应谱对应于组合的多种组分气体的热谱响应，并且所述方法进一步包括确定哪个响应谱最接近地匹配所述谱。
31.如权利要求28所述的方法，进一步包括确定组分气体的多种组合中的每一种组合的响应谱，并确定哪种组合响应谱最接近地匹配所述谱。
32.如权利要求28所述的方法，其特征在于，每个电脉冲是电压脉冲。
33.如权利要求28所述的方法，其特征在于，每个电脉冲是电流脉冲。
34.如权利要求28所述的方法，其特征在于，每个电脉冲序列生成持续第一时间段并且包括多个电脉冲，每个电脉冲具有脉冲宽度持续时间，其中所述电脉冲序列以重复率生成。
35.如权利要求28所述的方法，进一步包括在生成连续的电脉冲序列之间等待第二时间段。
36.如权利要求28所述的方法，其特征在于，每个电阻测量是在一个电脉冲序列期间进行的多个电阻测量的平均值。
37.一种利用环境传感器来确定组分气体浓度的方法，所述方法包括：
a.测量环境传感器的第一电极和第二电极之间的第一电阻；
b.生成由所述第一电极和所述第二电极接收的电脉冲序列，所述电脉冲序列被配置成用于设置所述环境传感器的温度；
c.在生成所述电脉冲序列之后测量所述第一电极和所述第二电极之间的第二电阻；
d.从所述第一电阻测量中减去所述第二电阻测量；以及
e.确定与所述第一电阻测量和所述第二电阻测量之间的差值对应的所述环境传感器附近的组分气体浓度的值。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述组分气体是两种或更多种气体的组合。
39.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述第一电阻测量是两个电阻测量的平均值，一个电阻测量具有第一极性，并且另一个电阻测量具有第二、相反极性。
40.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述第二电阻测量是两个电阻测量的平均值，一个电阻测量具有第一极性，并且另一个电阻测量具有第二、相反极性。
41.如权利要求37所述的方法，进一步包括在所述电脉冲序列期间测量第三电阻并使用所述第三电阻来调整所述电脉冲序列的一个或多个参数，以便控制所述环境传感器的温度。
42.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述电脉冲序列被以重复率施加持续第一时间段，每个电脉冲具有脉冲宽度持续时间和幅度值，其中所述第一电极和第二电极转移热能到所述环境传感器的设置所述温度的活性感测层。
43.如权利要求37所述的方法，其特征在于，每个电脉冲是电压脉冲。
44.如权利要求37所述的方法，其特征在于，每个电脉冲是电流脉冲。
45.一种加热环境传感器的方法，所述环境传感器包括第一电极和第二电极以及接触所述电极的活性感测层，所述方法包括：
将电脉冲序列施加到所述第一电极和所述第二电极，所述电脉冲序列被以重复率施加持续第一时间段，每个电脉冲具有脉冲宽度持续时间和幅度值，其中所述第一电极和所述第二电极将热能传递到将所述环境传感器设置到一温度的所述活性感测层。
46.如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述第一时间段、所述重复率，所述脉冲宽度持续时间和所述幅度值中的两个或更多个的组合确定所述环境传感器的温度。
47.如权利要求45所述的方法，其特征在于，选择所述组合以设置所述环境传感器的温度以蒸发或分解在所述活性感测层中扩散的组分气体。
48.如权利要求45所述的方法，进一步包括在所述电脉冲序列期间测量电阻并使用所述电阻来调整所述第一时间段、所述重复率、所述脉冲宽度持续时间和所述幅度值中的一个或多个，以便于控制所述环境传感器的温度。
49.如权利要求45所述的方法，其特征在于，每个电脉冲是施加在所述第一电极和所述第二电极上的电压脉冲，所述电脉冲具有电压幅度值。
50.如权利要求45所述的方法，其特征在于，每个电脉冲是在所述第一电极和所述第二电极中注入的电流脉冲，所述电脉冲具有电流幅度值。
51.一种微加热或纳米加热方法，包括：将电脉冲施加到包括碳纳米管的加热层，所述电脉冲具有小于大约100微秒的持续时间。
52.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述施加包括施加一系列所述电脉冲。
53.如权利要求52所述的方法，其特征在于，所述系列具有小于大约5秒的持续时间。
54.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述脉冲以从大约25V至大约500V的电压施加。
55.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述加热层基本上由碳纳米管组成。
56.如权利要求53所述的方法，其特征在于，所述脉冲以从大约100V至大约200V的电压施加。
57.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述加热层具有小于大约100nm的厚度。
58.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述加热层具有从大约5kΩ至大约10MΩ的电阻。
59.如权利要求52所述的方法，其特征在于，所述加热层与从由聚合物层、发光二极管、玻璃层和前述的组合组成的组中选出的组件相邻。
60.如权利要求52所述的方法，其特征在于，所述施加导致所述加热层经历至少大约50℃的温度增加。
61.如权利要求59所述的方法，其特征在于，所述施加导致所述组件经历至少大约20℃的温度增加。
62.如权利要求52所述的方法，其特征在于，所述加热层处于包括移除目标的环境中，并且所述施加导致至少一些所述移除目标的移除。
63.如权利要求62所述的方法，其特征在于，所述移除目标从由水分、挥发性有机化合物及其混合物组成的组中选出。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113529075A (zh) * 2020-04-20 2021-10-22 厦门大学 一种液态金属复合多孔膜及其制备方法和应用

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018165100A1 (en) * 2017-03-06 2018-09-13 President And Fellows Of Harvard College Elastomeric temperature sensor
JP7217488B2 (ja) * 2018-04-04 2023-02-03 国立大学法人山形大学 湿度センサおよびその製造方法
CN109991135B (zh) * 2018-11-16 2021-12-17 郑州炜盛电子科技有限公司 一种传感器标定方法
US20220178821A1 (en) * 2019-04-05 2022-06-09 Seekops Inc. Analog signal processing for a lightweight and compact laser-based trace gas sensor
EP3819260A1 (en) * 2019-11-07 2021-05-12 Infineon Technologies AG A composite material, a chemoresistive gas sensor, a chemoresistive gas sensor system and a method for making and using same
JP7311892B2 (ja) * 2019-11-18 2023-07-20 国立研究開発法人産業技術総合研究所 複合構造体およびその製造方法ならびに該複合構造体を利用したセンサ
US11614430B2 (en) 2019-12-19 2023-03-28 Seekops Inc. Concurrent in-situ measurement of wind speed and trace gases on mobile platforms for localization and qualification of emissions
US11748866B2 (en) 2020-07-17 2023-09-05 Seekops Inc. Systems and methods of automated detection of gas plumes using optical imaging
WO2022196708A1 (ja) * 2021-03-17 2022-09-22 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 ガス検出システム

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012168444A1 (en) * 2011-06-08 2012-12-13 Alpha Mos S.A. Chemoresistor type gas sensor having a multi-storey architecture.
US20160025517A1 (en) * 2014-07-22 2016-01-28 Brewer Science Inc. Thin-film resistive-based sensor
US20160054258A1 (en) * 2014-08-20 2016-02-25 Nanolab, Inc. Nanostructured sensor architecture and method for enhanced chemical detection

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6705152B2 (en) * 2000-10-24 2004-03-16 Nanoproducts Corporation Nanostructured ceramic platform for micromachined devices and device arrays
US7141859B2 (en) 2001-03-29 2006-11-28 Georgia Tech Research Corporation Porous gas sensors and method of preparation thereof
EP1393069A1 (en) 2001-05-24 2004-03-03 The University Of Florida Method and apparatus for detecting environmental smoke exposure
US20080021339A1 (en) * 2005-10-27 2008-01-24 Gabriel Jean-Christophe P Anesthesia monitor, capacitance nanosensors and dynamic sensor sampling method
US7948041B2 (en) * 2005-05-19 2011-05-24 Nanomix, Inc. Sensor having a thin-film inhibition layer
US7405672B2 (en) * 2003-04-09 2008-07-29 Sharper Image Corp. Air treatment device having a sensor
US20070240491A1 (en) * 2003-06-03 2007-10-18 Nano-Proprietary, Inc. Hydrogen Sensor
KR100749886B1 (ko) 2006-02-03 2007-08-21 (주) 나노텍 탄소나노튜브를 이용한 발열체
KR101283685B1 (ko) * 2009-11-23 2013-07-08 한국전자통신연구원 환경가스 센서 및 그의 제조방법
US9134270B2 (en) * 2010-03-25 2015-09-15 Stichting Imec Nederland Amorphous thin film for sensing
KR20130071423A (ko) * 2010-04-28 2013-06-28 각고호우징 게이오기주크 탄소나노튜브 발광소자, 광원 및 포토커플러
US20110269648A1 (en) * 2010-05-02 2011-11-03 Schwartz Anne M Electrochemical sensor system
KR101774757B1 (ko) * 2011-10-13 2017-09-07 한국전자통신연구원 가스 센서, 그의 제조 및 사용 방법
WO2013190252A1 (en) 2012-06-21 2013-12-27 Cambridge Enterprise Limited Heating using carbon nanotube-based heater elements
TWI512963B (zh) * 2014-01-13 2015-12-11 Univ Nat Taiwan 光偵測器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012168444A1 (en) * 2011-06-08 2012-12-13 Alpha Mos S.A. Chemoresistor type gas sensor having a multi-storey architecture.
US20160025517A1 (en) * 2014-07-22 2016-01-28 Brewer Science Inc. Thin-film resistive-based sensor
US20160054258A1 (en) * 2014-08-20 2016-02-25 Nanolab, Inc. Nanostructured sensor architecture and method for enhanced chemical detection

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
O. MONEREO 等: "A low-cost approach to low-power gas sensors based on self-heating effects in large arrays of nanostructures", 《PROCEDIA ENGINEERING》 *
O.MONEREO 等: "Self-heating in pulsed mode for signal quality improvement: Application to carbon nanostructures-based sensors", 《SENSORS AND ACTUATORS B: CHEMICAL》 *
YIJIANG LU 等: "A carbon-nanotube-based sensor array for formaldehyde detection", 《NANOTECHNOLOGY》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113529075A (zh) * 2020-04-20 2021-10-22 厦门大学 一种液态金属复合多孔膜及其制备方法和应用

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Publication number Publication date
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US20180067066A1 (en) 2018-03-08
JP2019532272A (ja) 2019-11-07
KR102397729B1 (ko) 2022-05-13
KR20190040074A (ko) 2019-04-16
EP3507596A1 (en) 2019-07-10

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