TW201816365A - 環境敏感薄膜裝置的能量脈衝清除 - Google Patents

環境敏感薄膜裝置的能量脈衝清除 Download PDF

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Abstract

提供的是用於快速加熱和冷卻氣體感測器之主動感測層的過程與電子硬體和軟體系統。一系列高能量脈衝行經奈米碳管(CNT)電主動層，而將該層加熱至變化的溫度。可以使用多樣的氣體對該層之導電率的影響以辨識氣體(譬如水氣、乙醇、甲烷、O2、CO2、CO)。有利而言，相同的結構也可以使用作為奈米加熱器，而在氣體感測器的背景裡或外。該裝置可以在幾秒內獲取獨特的氣體圖譜，因此基於館藏的已知圖譜而正確決定氣體類型和氣體混合物。

Description

環境敏感薄膜裝置的能量脈衝清除
本發明關於感測和清除薄膜裝置中之環境訊號的方法。
相關申請案
目前的專利申請案並非是一臨時申請案，其主張關於在2017年6月7日申請之美國臨時案第62/516,491號(命名為「氣體感測器」)、在2016年9月5日申請之美國臨時案第62/383,553號(命名為「環境敏感奈米碳管薄膜裝置的能量脈衝清除」)之利益。較早提交的臨時申請通過引用整體併入目前申請中。
特定之電子感測器結構的操作是在「主動」(active)層裡引起物理改變(亦即電極化、磁性、結構、形貌或相改變)或化學改變(亦即解離、反應或組成改變)，而導致裝置電阻、電容或電感的對應改變。於感測器，這或可是感測器之感測材料(或「主動」層)改變的結果，其由對外界刺激物的反應所引起。此種感測應用的範例詳述於2015年7月22日申請的美國專 利申請案第14/806,238號，其併於此以為參考。
於許多既有的奈米碳管(CNT)感測器科技，薄膜電主動CNT層一般而言是由絕緣區域所分開的高度導電顆粒所構成(其沿著隨機指向的個別CNT或用多重CNT所做的繩索)。絕緣區域橋接著CNT的末端或側壁，並且傾向於在導電顆粒上捕陷電荷載子。這些薄膜裝置中(在主動層裡)的導電過程，一般而言是電荷從二或更多個導電區域跨越絕緣區域而傳輸之可變範圍的量子機械跳躍或穿隧過程。載子傳輸穿過這電層的路徑是透過極大數目的此種過程，其從電接觸到電接觸形成滲透網路。
於這些裝置，已熟知的是環境氣體在薄CNT膜的導電和絕緣顆粒之間界面、透過氫或凡得瓦(Vander Waals)鍵結而與導電過程交互作用。這些交互作用傾向於不是增加就是減少導電顆粒的有效載子捕陷位能。這些過程將不是增加就是降低CNT層的導電率。隨著時間，這些影響可以使巨觀導電率飄移，並且一般而言隨著包圍膜的環境改變而變得不穩定。於許多情形，這不穩定的行為導致裝置或感測器的效能不良。
由於感測器應用需要環境構成物擴散以便操作，故不可能單純將環境構成物阻擋而離開主動表面。因而，對於感測器應用來說，必須清除裝置的主動層，如此則主動層中或周圍沒有環境構成物，並且主動層的電子行為隨著時間是穩定的。
對於氣體感測來說，可以在正常大氣條件下操作，並且可以迅速和選擇性感測氣體(像是H2、CO、CH4、NO2、H2O)之單獨、離散的固態感測器是新興工業為了即時分析環境空氣所想要的。此種固態氣體偵測器或可使用於各式各樣的應用。許多既有的感測器是基於金屬和/或金屬氧 化物膜、奈米叢集或奈米線，其典型而言透過在從100°到400℃溫度下的物理吸附或可逆的化學反應而偵測氣體。這些類型的裝置已經廣泛用於利用中央鎢或鉭絲來加熱並且披覆了氣體敏感材料之陶瓷管爐的組態。一旦爐子與周圍環境抵達熱平衡(這可以花數小時)，則監測披覆的電阻。金屬膜/金屬氧化物半導體的電阻隨著有興趣的微量氣體而起伏。
然而，這科技的缺點是缺乏氣體選擇性和大功率消耗。這些裝置也可以對其他氣體、煙霧、水氣是交叉敏感的。結果，最好使用它們的已知環境是一般而言預期存在了有興趣的氣體，並且不預期有交叉敏感效應。雖然這些裝置的訊號被增進，如此則它們對有興趣的氣體更敏感，但是偽陽性事件可以肇因於這些交叉敏感性。由於這些裝置最好在遠高於室溫的溫度下操作，故它們傾向於消耗顯著量的功率(在幾瓦的等級)。因此，雖然正在發展額外的科技以在室溫操作這些裝置，但是在升高溫度下操作一般而言將增進訊號。無論如何，這些固態氣體感測器具有的優點是：具有低成本、優異穩定性、高敏感度、一旦抵達熱平衡則相對快速的回應。
為了增加既有固態科技的氣體選擇性(或特定性)，具有不同之個別像素組成的多重像素感測器裝置已經結合在同一加熱器上，如此則可以使用不同的吸收(或對進來氣體的其他反應)以更佳決定未知氣體組成。於這組態，像素被溫度控制到相同的溫度，並且未知氣體可以藉由每個像素所展現之複合訊號的不同電阻改變而辨識。加熱器典型而言加熱所有的像素到相同的溫度，這需要顯著的功率，並且無法獨立升降像素溫度或迅速掃過溫度。像素當暴露於未知氣體時的這些不同電阻改變，是變更像素化學組成的結果。這些裝置要比個別的固態氣體感測器更有氣體選擇 性。這些裝置難以製造成為可以達到加熱器的熱隔離(有時需要微機電系統[MEMS]裝置)，並且由於每個像素具有稍微不同的材料組成，故它們需要許多合成步驟。而且，相對為大的加熱器需要顯著的時間(數小時)來與背景達到熱平衡，並且所有像素必須在相同的溫度下操作。因而，這些裝置具有有限的選擇性、難以製造、具有與單一像素固態裝置相同的功率消耗問題。
也已經使用離散、個別之氣體特定的電化學感測器來偵測氣體類型和濃度。這些裝置以電化學過程來工作，其須在液體或包含液體的基質(例如水凝膠)中，如此則離子是自由反應和擴散到電極。這些裝置可以做得極敏感和有選擇性。這些裝置的主要缺點是速度低(離子需要時間以擴散到電極)、難以製造(陣列的製作涉及許多不同的化學過程，並且一般而言無法以整合方式來製造)、壽命短(由於離子遷移基質的損失或劣化，故裝置的壽命有限)、可能在真實世界應用中污染。無論如何，當與個別的固態裝置相比時，因為有增加的選擇性和較低的功率消耗，所以這科技在想要有單一氣體選擇性感測器的許多應用中要比固態科技更佳。結果，會須要平行操作許多電化學裝置以便偵測一範圍的不同氣體。
其他提議的固態離散裝置包括一類涉及官能化或「裝飾的」(decorated)CNT和石墨烯的氣體敏感裝置。相較於固態裝置，這些裝置多數目標是在室溫下操作以減少功率消耗。然而，這些裝置也必須受到溫度控制以減少由於環境溫度起伏而導致吸收變化所關聯的誤差。
這些裝置大多利用偵測過程中基於碳之奈米粒子的性質，其是由碳奈米粒子微結構裡存在的金屬或金屬氧化物材料而增進。這些室溫感測器配合分開的加熱器來使用，後者在裝置之上或之下延伸。這些裝置 由於它們僅在一溫度下操作而有交叉敏感性的主要問題。
於一具體態樣，本發明針對環境感測器。感測器包括第一和第二電極，其由導電材料所形成，而電極彼此隔開並且定位在基板上。感測器也包括主動感測層，其定位在基板上並且直接接觸每個電極的至少一部分。附帶而言，主動感測層建構成回應於靠近主動感測層之構成氣體的特徵改變而經歷電特徵的改變，並且進一步建構成直接從電極接收能量以將主動感測層的溫度設定為特定數值。
於進一步具體態樣，本發明關於環境感測器陣列。陣列包括多個像素感測器，每個像素感測器包括第一和第二電極，其由導電材料所形成。電極彼此隔開並且定位在基板上；並且每個像素感測器也包括主動感測層，其定位在基板上並且直接接觸每個電極的至少一部分。每個像素感測器的主動感測層建構成回應於靠近主動感測層之特定構成氣體的特徵改變而經歷電特徵的改變。每個像素的主動感測層進一步建構成直接從電極接收能量以將主動感測層的溫度設定為特定數值。
本發明也提供以環境感測器來決定構成氣體的方法。方法包括產生一系列電脈衝，其由環境感測器的第一和第二電極所接收，該系列電脈衝建構成設定環境感測器的溫度。在產生該系列電脈衝的期間，測量環境感測器的第一和第二電極之間的第一電阻。重複產生和測量多次，使得每一系列電脈衝將環境感測器設定為不同的溫度，而導致包括多個第一電阻測量的第一圖譜，每個溫度有一第一電阻測量。第一圖譜與多個回應 圖譜做比較，而每個回應圖譜對應於多個構成氣體之接續一者的熱圖譜回應。
本發明進一步提供以環境感測器來決定構成氣體濃度的方法。方法包括測量環境感測器的第一和第二電極之間的第一電阻。產生一系列電脈衝，其由第一和第二電極所接收，該系列電脈衝建構成設定環境感測器的溫度。在產生該系列電脈衝之後，測量第一和第二電極之間的第二電阻，並且從第一電阻測量減掉第二電阻測量。決定靠近環境感測器之構成氣體濃度的數值，其對應於第一電阻測量和第二電阻測量之間的差異。
於再進一步具體態樣，提供的是加熱環境感測器的方法，該環境感測器包括第一和第二電極以及接觸電極的主動感測層。方法包括施加一系列電脈衝到第一和第二電極。該系列電脈衝在重複率下施加達第一時間，而每個電脈衝具有脈衝寬度持續時間和大小數值。第一和第二電極轉移能量到主動感測層，而設定環境感測器的溫度。
最後，本發明也針對微加熱方法，其包括施加電脈衝到包括奈米碳管的加熱層，該電脈衝所具有的持續時間小於約100微秒。
提供這【發明內容】而以簡化形式來介紹所選概念，其在下面【實施方式】做進一步描述。這【發明內容】不打算辨識出所請標的之關鍵特色或基礎特色，也不打算用來限制所請標的之範圍。本發明的其他方面和優點將從以下【實施方式】和伴隨圖式而變得明顯。
10‧‧‧轉換器
12‧‧‧基板
14、16‧‧‧電極
18‧‧‧主動感測層
20‧‧‧訊號增進層
22‧‧‧過濾層
100‧‧‧轉換器
200‧‧‧電腦
202‧‧‧輸出
204‧‧‧脈衝調變器
206‧‧‧高電壓來源
208‧‧‧訊號選擇器
210‧‧‧電流逆轉電路
f(x)、g(x)、h(x)、j(x)、ψ(x)‧‧‧特徵函數
G1~G4‧‧‧輸出、氣體
Ra‧‧‧恰在脈衝系列之後所測得的電阻
Rb‧‧‧恰在脈衝系列之前所測得的電阻
Rd‧‧‧加熱期間所測得的電阻
Rg‧‧‧(未知)
t‧‧‧時刻
T 1 ‧‧‧加熱時間
T 2 ‧‧‧冷卻時間
τ‧‧‧持續時間
μ‧‧‧能量密度
下面參考附圖來詳述本發明的具體態樣，其中： 圖1a是根據本發明之單一像素氣體轉換器的立體圖；圖1b是圖1a之轉換器的平面圖；圖1c是圖1a~1b之轉換器沿著線1c的截面圖；圖2是根據本發明之四像素裝置的平面圖，其中單位是毫米；圖3是脈衝訊號時序圖解，其顯示根據本發明之一種施加能量密度的方法；圖4是產生圖3之脈衝訊號時序圖解的電子系統方塊圖；圖5是圖3~4的具體態樣之脈衝放大器的電路圖解；圖6是圖3~4的具體態樣之脈衝放大器的電路圖解；圖7是顯示在圖3所述脈衝系列期間經過本發明感測器裝置之電壓和電流(成為時間函數)的圖形；圖8是顯示假設之熱吸收圖譜的圖形，以示範本發明將感測器裝置回應模型化的方法以決定氣體組成和濃度；圖9是顯示四種假設氣體在70~120℃溫度範圍之範例性曲線的圖形；圖10a是用於範例1之感測器裝置的立體圖；圖10b是圖10a之裝置的平面圖；圖10c是圖10a~10b之裝置沿著線10c的截面圖；圖11是用於範例1之感測器裝置的照片；圖12是顯示用於範例2的環境腔室之溫度和相對溼度輪廓的圖形；圖13是顯示訊號改變對時間的圖形，其有和無如範例2所述的脈衝清除；圖14是顯示在本發明裝置放入圖12所示的相同溫度和溼度循環之後的 真實溫度和轉換成溫度之裝置電阻的圖形；圖15是顯示溼度的圖形，其是如所測量以及如脈衝系列之前的電阻和脈衝系列期間的電阻之間的差異所決定，如範例2所述；圖16是裝置電流在脈衝系列期間的圖形，其呈溫度循環期間的裝置溫度函數，如範例2所述；圖17是顯示感測器訊號(在脈衝系列之前和期間的電流差異)的圖形，而呈相對溼度(RH)循環期間的裝置溼度函數，如範例3所述；圖18是範例3的感測器在15分鐘間隔之脈衝系列下的電阻圖形；圖19是顯示獲得之表面溫度的圖形，其為範例4所述之脈衝清除期間的尖峰脈衝電壓函數；圖20是顯示在範例4所述樣品表面上抵達200℃所需之尖峰脈衝電壓的圖形，其為Rmeas(水平軸)的函數；圖21是範例5之熱解感測器(左)和未熱解感測器(右)的照片；圖22是範例7所製作之四像素印刷電子裝置的照片；圖23是用於範例8之氣體測試平台的氣體測試平台方塊圖；圖24a是FLIR相機照片，其顯示電極指向於x方向而在範例9中被活化的SnO2/鈀單一像素；圖24b是顯示FLIR相機所測量的溫度圖形，其顯示圖24a的單一像素在加熱脈衝系列循環期間之x方向的溫度輪廓；圖24c是顯示FLIR相機所測量的溫度圖形，其顯示圖24a的單一像素在加熱脈衝系列循環期間之y方向的溫度輪廓；圖24d是顯示FLIR相機所測量之溫度對時間的圖形，其顯示圖24a之 單一像素的較長期循環，如範例9所述；圖25是顯示如範例9所述之二個不同電阻的像素之溫度對重複率的圖形；圖26是示範如範例9所述而隨著電流經過像素之像素溫度變化的圖形；圖27顯示範例10所遵循的測試設定；圖28是顯示範例10所測試的感測器裝置隨著時間之訊號回應(電阻改變%)的圖形；圖29是示範感測器回應如何緩慢變化(範例10)的圖形，其所在區域的訊號是氫氣擴散到感測器的結果；圖30是顯示範例11所測試的感測器裝置隨著時間之訊號回應(電阻改變%)的圖形；圖31是顯示範例12之結果的圖形，其中CNT/SnO2/鈀裝置暴露於CO(400赫茲)；圖32是範例12所進行之訊噪比(signal-to-noise ratio，SNR)分析的圖形，以示範裝置對於CO氣體濃度的敏感度(400赫茲)；圖33是顯示範例12之結果的圖形，其中CNT/SnO2/鈀裝置暴露於CO(200赫茲)；圖34是範例12所進行之訊噪比分析的圖形，以示範裝置對於CO氣體濃度的敏感度(200赫茲)；圖35是顯示範例13之結果的圖形，其中CNT/SnO2/鈀裝置暴露於CH4(400赫茲)； 圖36是範例13所進行之訊噪比分析的圖形，以示範裝置對於CH4氣體濃度的敏感度(400赫茲)；圖37是顯示範例13之結果的圖形，其中CNT/SnO2/鈀裝置暴露於CH4(200赫茲)；圖38是範例13所進行之訊噪比分析的圖形，以示範裝置對於CH4氣體濃度的敏感度(200赫茲)；圖39是顯示範例14的氣體感測器對於水氣之回應的圖形；圖40是顯示如範例15所述之一般化測試氣體濃度脈衝而成時間函數的圖形；圖41是顯示如範例15所述之變化氣體的電阻改變之變化斜率的圖形；以及圖42是範例16的裝置隨著氫濃度升降之電阻改變而成時間函數的圖形。
圖式不將本發明限制於在此所揭示和描述的特定具體態樣。圖式未必按照比例，反而強調要清楚示範本發明的原理。
本發明以下的詳述參考伴隨圖式，其示範當中可以實施本發明的特定具體態樣。具體態樣以足夠的細節來描述本發明的諸方面以使熟於此技藝者能實施本發明。可以利用其他的具體態樣並且可以做出改變，而不偏離本發明的範圍。以下詳述因而不是要是為有限制的意味。本發明的範圍僅由所附請求項、連同此種請求項所賦予之等同者的完整範圍而界 定。
於本敘述，對於「一具體態樣」、「具體態樣」或「多個具體態樣」的參考乃意謂所指稱的一或多個特色包括在本科技的至少一具體態樣中。本敘述中對於「一具體態樣」、「具體態樣」或「多個具體態樣」的分開參考未必是指相同的具體態樣，並且也不互相排斥，除非是這麼陳述以及/或者除非如熟於此技藝者從敘述而將輕易明白。舉例而言，一具體態樣所述的特色、結構、動作……也可以包括在其他具體態樣中，但未必包括。因此，本科技可以包括在此所述之具體態樣的各式各樣組合和/或整合。
更詳言之，參見圖1a、1b、1c，顯示的是根據本發明之轉換器10的一具體態樣。轉換器10包括基板12、至少二個電極14、16以及主動感測層18。每個電極14、16具有個別的側壁以及個別的上表面。電極14、16定位成相鄰於基板12，或者是在基板12和電極14、16之間的可選用層上。可選用層包括但不限於在主動感測層18和環境之間的訊號增進層20或過濾層22，以及在主動感測層18和基板12之間的隔離或過濾層22，如美國專利申請案第14/806,218號所述，其併於此以為參考。重要而言，主動感測層18也接觸每個電極。
<基板>
基板12可以由任何數目的材料所形成，包括選自聚合物、陶瓷或單晶所構成的群組。較佳而言，材料是有機聚合物。適合的有機聚合物包括選自以下所構成的群組：聚亞醯胺(例如Kapton®膜)、聚醯胺、聚碸、聚醚碸、聚醚醚酮(PEEK)、聚對苯二甲酸乙酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE， 例如Teflon)、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、苯乙烯、環烯烴聚合物(例如Zeonor)、環烯烴共聚物、聚酯、聚萘酸乙酯。基板12較佳而言具有低導熱率，其從每公尺每度0.005瓦到1.0瓦，更佳而言從每公尺每度0.01瓦到0.1瓦。
<電極>
參見圖1a、1b、1c，注意主動感測層18觸碰著二電極14、16的側壁。於另一具體態樣，主動感測層18順服於電極14、16。也就是說，主動感測層18接觸電極14、16之個別的側壁和上表面。於另一具體態樣，電極14、16可以定位在主動感測層18的頂部上而非在主動感測層18之下(亦即其順序或可「翻轉」[flipped])，前提是仍達成接觸。因此，任何導致主動感測層18接觸二電極14、16的安排是可接受的。
電極14、16較佳而言是平坦的電極，但也或可為交指式電極。較佳而言，電極14、16具有高的電子或電洞移動性和大的載子濃度。適合形成電極14、16的材料包括選自以下所構成的群組：銀、聚(3,4-乙二氧噻吩)(PEDOT)、金、高度摻雜的矽、導電奈米碳管(CNT)、石墨烯油墨、鈀、銅、鋁、任何導電聚合物、CNT/石墨烯導電聚合物的複合物。較佳的材料具有對於主動感測層18的低肖特基(Schottky)阻障和低接觸電阻。電極可以藉由任何適合的技術而形成，包括選自以下所構成的群組：網版印刷、噴塗、Aerosol Jet®印刷、噴墨印刷、柔版印刷、凹版印刷、微影技術、旋塗、蒸發、濺鍍、雷射燒蝕。
<主動感測層>
主動感測層18提供電子訊號，其隨著主動感測層18的改變 而改變。這電子電阻的改變可以是其電子結構、缺陷狀態或電子載子密度之改變的結果。較佳而言，電子訊號改變是電阻的改變。較佳而言，主動感測層18的電阻是從約5千歐姆到約10百萬歐姆，更佳而言從約100千歐姆到約5百萬歐姆，再更佳而言從約500千歐姆到約2百萬歐姆。在暴露於氣體之時，主動感測層18的電阻改變應與氣體濃度的改變成正比。將體會雖然多樣的氣體和應用將需要不同的敏感度，但較佳而言，電阻的改變應導致每百萬分之50(ppm)的改變有至少約0.1%的輸出訊號改變，更佳而言每30ppm的改變有至少約0.5%的改變。較佳而言，用於形成主動感測層18的材料是平坦的材料，其相對於線、窄橋、棒、個別的CNT或類似者而言可以提供成膜或布。附帶而言，主動感測層18較佳而言包括不規則導體而具有大量的缺陷狀態，並且其片或膜的形貌導致有不規律的傳導路徑。這不規則或不規律導致在所利用的特殊構件中有「接面」(junction)，並且這些接面對於主動感測層18的適當功能是重要的。也就是說，例如對齊之CNT的規則材料不是適合的主動層材料。適合主動感測層18的材料包括選自以下所構成的群組：奈米碳管(金屬性或半導性)、官能化或非官能化的奈米碳管(CNT)織物、非晶質碳膜、熱解碳、石墨、石墨烯、碳纖維、富勒烯、碳灰、碳黑、矽、離子植入和其他的導電聚合物(例如PEDOT：PSS、聚苯胺、聚茀、聚苯、聚芘、聚薁、聚萘、聚吡咯、聚咔唑、聚吲哚、聚吖呯、聚乙炔、聚苯伸乙烯、聚噻吩)、摻雜金屬粒子的CNT或石墨烯、及其複合物和混合物。
主動感測層18選擇為極薄而像極薄的「皮」(skin)，其接近2維的片或膜。因此，主動感測層18應具有小於約1000奈米的平均厚度， 較佳而言小於約200奈米，更佳而言小於約100奈米，再更佳而言從約10奈米到約100奈米。於尤其較佳的具體態樣，主動感測層18具有小於約30奈米的平均厚度，較佳而言從約1奈米到約30奈米。在此種低厚度，主動感測層18具有可忽略的整塊性質，例如質量、體積、熱容量。因而，這主動感測層18呈現周圍層的許多化學、物理、生物特徵。主動感測層18可以藉由任何適合的技術而沉積，包括選自以下所構成的群組：網版印刷、噴塗、Aerosol Jet®印刷、噴墨印刷、浸塗、氣刷技術、柔版印刷、凹版印刷、微影技術、旋塗、蒸發、濺鍍、層合、原子層沉積(ALD)、化學氣相沉積(CVD)、電漿增進的化學氣相沉積(PECVD)。
<訊號增進層>
訊號增進層20具有頂面和底面。訊號增進層20的底面相鄰於全部或部分的主動感測層18，並且較佳而言靠著主動感測層18的上表面。形成訊號增進層20的材料較佳而言乃選自以下所構成的群組：選擇性氣體吸收材料、選擇性氣體吸附材料及其混合物。適合訊號增進層20的材料包括選自以下所構成的群組：金屬氧化物(例如氧化錫、氧化鐵、氧化釩、氧化鋅)、金屬(例如鈀、鉑、金、銀、鐵)、硫屬玻璃(例如硒、硒化砷)、聚合物(例如聚醚亞醯胺、熱解聚碸、熱解聚丙烯腈)。也就是說，訊號增進層20較佳而言具有每公尺小於約104西門子的導電率，更佳而言每公尺小於約103西門子，再更佳而言每公尺從約10-2到約102西門子。訊號增進層20的片電阻應為每平方至少約100歐姆，較佳而言每平方至少約1,000歐姆，更佳而言每平方從約1,000到約10,000歐姆。訊號增進層20可以藉由任何適合的技術而沉積，包括選自以下所構成的群組：網版印刷、噴塗、Aerosol Jet® 印刷、噴墨印刷、柔版印刷、凹版印刷、拉桿披覆、浸塗、微影技術、旋塗、蒸發、濺鍍、層合、ALD、CVD、PECVD。訊號增進層20的厚度較佳而言從約50奈米到約50微米，更佳而言從約100奈米到約4微米，再更佳而言從約100奈米到約2微米。訊號增進層20應具有每天每平方公尺至少約50公克的氣體擴散率，較佳而言每天每平方公尺至少約500公克，更佳而言每天每平方公尺從約2000公克到約5000公克，如以美國材料測試協會(ASTM)方法F1249所測量。於這具體態樣，訊號增進層20較佳而言具有每天每平方公尺小於約1公克的非分析物擴散率，更佳而言每天每平方公尺小於約0.01公克，再更佳而言每天每平方公尺從約0公克到約0.001公克，如以ASTM方法D-570所測量。
於一具體態樣，訊號增進層20可以與氣體反應。舉例來說，訊號增進層20當接觸標的氣體時可以經歷化學或物理的改變或反應。在暴露於氣體之時，這化學或物理改變或反應可以進一步增進或放大來自主動感測層18的輸出訊號。當訊號增進層20具有反應性時，該層應具有至少約0.8%的分析物溶解度，較佳而言至少約2.0%，更佳而言從約5.0%到約10%，如以ASTM方法D-570所測量。反應性訊號增進層20可以由任何一或多種非導電材料所做成，包括選自以下所構成的群組：聚合物(例如聚酯或聚甲基丙烯酸甲酯[PMMA])、光阻、陶瓷、金屬複合物或其混合物。
於另一具體態樣，訊號增進層20可以嵌插到主動感測層18裡。也就是說，不是單純沉積在主動感測層18之上或之下，它反而可以用某種其他方式而混合在主動感測層18中或分布在主動感測層18裡。
<過濾層>
過濾層22包括頂面和底面，而位置相鄰於訊號增進層20，並且較佳而言底面靠著訊號增進層20的頂面。替代選擇而言，如果訊號增進層20不存在，則過濾層22的第一側相鄰於主動感測層18。更佳而言，這具體態樣之過濾層22的第一側靠著主動感測層18的第二側。
無論具體態樣為何，過濾層22位在某些或所有的電極14、16和環境之間。過濾層22設計成將主動感測層18與某些環境刺激物隔離。也就是說，過濾層22可以藉由僅允許想要的環境訊號與主動感測層18接觸和/或反應而增進轉換器10的功能或選擇性。過濾層22的材料和性質取決於所製作之轉換器10的類型。過濾層22較佳而言是由選自以下所構成之群組的材料所形成：金屬膜、聚合膜、陶瓷膜、單晶膜、離子選擇性膜、化學選擇性膜、生物選擇性膜、金屬氧化物膜、金屬氮化物膜、有機金屬膜及前述的組合。過濾層22可以是導電或電絕緣的。再者，過濾層22可以藉由任何適合的技術而沉積，包括選自以下所構成的群組：網版印刷、噴塗、Aerosol Jet®印刷、噴墨印刷、柔版印刷、凹版印刷、拉桿披覆、浸塗、微影技術、旋塗、蒸發、濺鍍、層合、雷射燒蝕、ALD、CVD、PECVD。過濾層22的厚度較佳而言從約10奈米到約150微米，更佳而言從約50奈米到約100微米，再更佳而言從約100奈米到約2微米。
當存在時，過濾層22優選的允許想要的氣體通過，而同時阻擋任何不想要的環境訊號。較佳而言，過濾層22應具有高的氣體穿透率與低的氣體吸收和反射率。過濾層22應具有每天每平方公尺至少約50公克的氣體擴散率，較佳而言每天每平方公尺至少約500公克，更佳而言每天每平方公尺從約2000公克到約5000公克，如以ASTM方法F1249所測量。 舉例來說，對於溼度轉換器10來說，過濾層22是水可滲透的隔膜材料，例如選自以下所構成的群組：紙、纖維素紙、GoreTex材料、聚二氟亞乙烯(PVDF)、PTFE、任何多孔性的溼氣可滲透層。對於非分析物(不是想要之測試氣體的氣體或材料)來說，過濾層22應具有每天每平方公尺小於約1公克的非分析物擴散率，較佳而言每天每平方公尺小於約0.01公克，更佳而言每天每平方公尺小於約0.001公克，如以ASTM方法F1249所測量。
<多重像素轉換器>
於另一具體態樣，多重轉換器可以安排在單一裝置中。有利而言，多重轉換器可以印刷在使裝置面積最小化的電極組態上，以允許多重「像素」(pixel)一起或獨立的操作，而能夠偵測多於一種氣體或者能夠更精確偵測單一氣體。圖2顯示四像素組態。
<使用的方法>
已經示範了每平方公分小於約4,600安培的電載子電流密度可以施加到20~50奈米厚的CNT主動感測層18而不損傷該層，前提是電流施加達夠短的持續時間。附帶而言，於某些感測器結構，包圍主動層的聚合物介電區域可以忍受每公分約4,200伏特的電場達約100微秒而無介電崩潰。為了維持此種大能量密度(每立方公分約19×106瓦)而無材料劣化，能量必須以短脈衝來傳遞。脈衝必須小於約100微秒，更佳而言小於約70微秒。對於這些短時間來說，這能量可以沿著從電接觸到電接觸的載子傳導路徑而傳遞，而無害於主動感測層18和周圍層的物理形貌或化學結構。
在主動層中和周圍所收集的環境構成物將從包圍裝置之緊鄰的大氣環境擴散到感測器結構裡。隨著裝置來到平衡，環境構成物擴散 到結構裡，而造成主動層之導電率的改變。對於有興趣和無興趣的分析物來說，這些改變都可以呈現為裝置導電率中的遲滯或不穩定。
環境構成物擴散到主動層裡和周圍可以藉由將能量放入系統裡而逆轉。然而，對於薄膜感測器來說，這可以是困難的，因為施加到主動層的能量密度必須足以逆轉擴散過程，但要夠低而不損傷或者否則不可逆的改變主動層和周圍層。使用脈衝式的能量施加，則可以精確控制主動感測層18和周圍層的溫度，而允許感測器在升高的溫度下來偵測氣體，以及允許升高裝置的溫度到足以驅走氣體或不要之環境構成物的程度。
由於這實質能量密度u集中在導電CNT之間的界面區域上，於此處凡得瓦和氫鍵結的環境構成物干擾傳導過程，故達成實質的非平衡加熱。該區域的溫度T是由以下微分熱方程式所決定：
其中ρ是主動和周圍層的平均密度，c p 是主動層結合了周圍區域的比熱，κ是周圍區域的導熱率，t是時間。如果在能量密度脈衝期間的溫度上升是要最大化，如此讓環境構成物可以從主動層解離並且從該區域流出，則最低的c p 和κ是受期待的。舉例而言，基於CNT的主動層結合了基於聚合物的頂層(低κ)會允許主動層有高很多的溫度尖峰，勝過基於CNT的主動層的一側被矽基板(相對為高的κ)包圍。
一種施加這能量密度的特別較佳方法是產生穿過主動層之一「脈衝系列」(pulse train)的能量。此種一脈衝系列時序圖解顯示於圖3。這些電壓脈衝連接穿過裝置電極14、16，以加熱感測器裝置中的主動感測層18。這些脈衝具有夠高的平均能量和重複率以迅速加熱主動感測層18和 周圍區域而熱量不逃掉，並且具有夠低的尖峰能量，如此以不永久摧毀主動感測層18和周圍層的物理形貌和化學結構。於圖3，垂直軸是能量密度，水平軸是時刻。持續時間為τ的個別能量脈衝顯示成垂直線。脈衝安排成有脈衝總數目的脈衝系列，該總數目由脈衝時間加熱期間(圖中顯示為T 1 )和脈衝重複率的乘積所決定。在脈衝加熱期間測量裝置的電阻，並且是以Rd來表示。恰在脈衝系列之前，測量主動感測層18的電阻而如圖中的Rb。恰在脈衝系列之後，測量主動感測層18的電阻而如圖中的Ra。圖中指定為T 2 的時間是允許像素在脈衝系列之間冷卻的時間。
在圖3之Ra所指出的時刻，主動層的導電率測量將代表該層在加熱之後的導電率。視脈衝系列的長度和脈衝數目而定，這測量將是在無有興趣的分析物之影響或環境干擾下的測量，或是在升高溫度下的環境影響之有興趣的分析物的測量。
脈衝系列控制最終溫度。每個像素接收分開的脈衝系列，並且在小於約100毫秒而來到熱平衡，如以紅外線(IR)相機系統所測量。像素/靠近基板區域的熱質量避免像素溫度振盪，前提是脈衝系列被正確的程式化。控制最終平衡溫度的脈衝系列參數是脈衝電流、脈衝重複率、脈衝持續時間。所需的電流量乃取決於像素電阻和入射電壓，因為像素電阻在加熱過程期間改變，並且可以藉由動態控制脈衝工作週期而補償。重複率和持續時間合起來而成脈衝工作週期(電流有流動的時間百分比)。舉例而言，要使典型像素到200℃則需要100伏特的入射電壓、約10千歐姆的像素電阻、約8%的工作週期(亦即10毫安培在8%的時間流動經過像素而達800微安培的平均電流)。
使用工作週期來控制溫度。這作法的主要優點在於工作週期是時序訊號，其衍生(倒數)自晶體振盪器。相對於控制電壓或電流的精確度限制在百分之1(1%)或千分之幾(0.3%)的等級，這些振盪器所具有的精確度大於十億分之1(ppb)。因而，時序訊號一般而言允許有比電壓或電流訊號精細很多的控制，這是熟知的電子器材原理。因此，可以使用時序訊號以極精確的控制溫度。
工作週期(經常是脈衝重複率)乃控制成獲取通過像素之想要的電流。像素具有在脈衝重複率和像素溫度之間的校正曲線，這曲線取決於像素電阻、背景溫度、熱損失的架構(輻射、傳導、對流熱損失)。電流和像素溫度之間的這關係是由微控制器中的查詢表所提供。
隨著電流起伏，這誤差訊號回饋到微控制器，並且修改脈衝系列以保持電流(因此和溫度)恆定。可以使用這些誤差訊號以指出像素對於周圍氣體的反應。
於第一操作模式，由於脈衝系列從不關閉而僅測量Rd，但是測量(以決定電流)是要維持恆定的溫度。這操作模式用於快速反應的氣體，例如H2和CO。
於第二操作模式，像素的溫度可以在二或更多個溫度之間起伏；舉例而言，脈衝系列可以在室溫下關閉，然後脈衝系列在另一較高溫度下開啟。應注意系統可以在許多不同的像素溫度下操作；或者脈衝系列從不關閉，但控制在室溫和較高溫度之間的較低溫度。
於Rb、Rd、Ra所描述的模式，系統操作在二溫度：室溫(脈衝系列關閉)和較高的控制溫度(脈衝系列開啟)。Rb和Ra代表當脈衝系列關 閉時之像素在室溫/背景溫度下的電阻。Rd代表當脈衝系列在較高溫度下開啟時的像素電阻。當測量水氣濃度時需要這特殊操作模式。水氣相對於空氣濃度而擴散到像素裡，並且這效應改變像素的電阻而可加以測量。然而，當包圍像素的水氣濃度減少時，並非所有的水氣都離開像素。於許多情況，某些水維持成捕陷於像素中。為了得到精確測量，像素必須加熱到100℃以乾燥之。因而，Rb測量從上次乾燥後的水氣濃度，Rd測量像素在乾燥中的溫度，並且Ra測量乾淨的乾燥像素電阻。Rb和Ra之間的差異代表了包圍像素之空氣中的水氣濃度。這模式適用於其他氣體(例如CO2)和揮發性有機化合物。
於第一操作模式，代表氣體吸收而成溫度函數的曲線是當暴露於氣體時、在不同控制溫度的誤差訊號(其代表Rd的起伏)。在低ppm或ppb的氣體濃度，預期這曲線具有相同的形狀，但強度隨著氣體濃度位準變化而變化。
於第二操作模式，指示從像素消除氣體的溫度參數是Rd。舉例而言，如果像素在100℃清除，則氣體可能是水；如果它在50℃清除，則氣體可能是乙醇；如果它在170℃清除，則氣體可能是CO2。每個特定氣體具有它從像素解放出來的獨特溫度，此視揮發溫度和氣體與像素化學之間的化學位能而定。
於第一模式，如果氣體混合物存在於像素，則最終訊號代表每種氣體之這些曲線的線性組合。未知參數是每種氣體的濃度位準。最終訊號可以藉由最小平方配適過程而即時配適於館藏(資料庫)的曲線。最終結果會是氣體類型和濃度位準的表格。
於第二模式，隨著像素加熱經過升高的溫度並且監測Rd，則可以決定每種氣體類型。如果Rd在特定的溫度改變，則可以使用該溫度以辨識氣體。
產生圖3所示之脈衝訊號時序圖解的電子方塊圖顯示於圖4。電腦200藉由數位控制輸出G1、G2、G3而控制如圖3所述進行的過程時序。電路經由輸出202而發送電腦200有關主動感測層18之直流(DC)電阻的資訊。高能量經由顯示在圖4頂部的高電壓來源206而提供給脈衝調變器204。脈衝調變器204內部固定了脈衝系列裡的脈衝之間的時間以及脈衝持續時間τ。脈衝系列的總時間T 1 以及因此和傳遞到主動層的總能量，被電腦200以G1所閘控或控制。電腦200藉由控制G2而透過圖4中央的訊號選擇器208，以在脈衝清除和DC電阻測量操作模式之間做選擇。電腦200也可以透過G3和電流逆轉電路210而逆轉穿過主動感測層18的電流。軟體藉由控制訊號選擇器208和脈衝調變器204而控制Rb、Rd、Ra測量之間的時間T 2 。
用於這具體態樣的電路顯示在圖5和6。電路在U2使用互補式金屬氧化物半導體(complimentary metal-oxide semiconductor，CMOS)74HC221單觸發(one-shot)裝置以提供在5微秒和100微秒之間的固定脈衝寬度，其可由R1來調整。被閘控的方波訊號或者電腦經由U6或圖4的G1觸發積體電路U2。電腦G1經由閘極U6而控制時間T1。在Q1的裝置是高效能IXYS IXTP3N100D2空乏式金屬氧化物場效電晶體(metal-oxide field-effect transistor，MOSFET)，其能夠在3安培的汲極電流來供源1000伏特。當閘極是在-5.0伏特並且脈衝化為+2.0伏特時(如U3和R2所設定)Q1 維持關閉以傳遞高能量脈衝。在U4的操作放大器將來自電腦G2、G3的數位輸出加以訊號調制以控制在RLY1的訊號選擇器和在RLY2的電流逆轉。DC電阻測量經由J5而完成，並且主動感測層18經由J7而連接到電路。這具體態樣也包括放大器，其連接到在R11和R12的網路，並且R9和R10在脈衝期間分別測量主動感測層18的電壓和電流。對於裝置之脈衝調變器區段的這具體態樣來說，這些輸出可以連接到在J2和J3的資料獲取裝置。脈衝藉由在J4的方波輸入和在U8的比較器而重複產生。
範例性脈衝系列之脈衝尖峰電壓監測(上)和脈衝尖峰電流監測(下)的輸出顯示於圖7。脈衝系列入射在測試裝置上，並且在如圖3所述的脈衝系列期間，所得的電壓跨越並且電流穿過該裝置，而結果顯示於圖7。在脈衝系列之前和之後，測量裝置的電阻。於這圖，水平尺度為每個區隔是50微秒，並且當脈衝迅速關閉和開啟時，在脈衝尖峰電流脈衝之任一側上的尖波是電容耦合的結果。在寄生電容器被充電之後，穩態電流是明顯的。電壓(上面的線)乃快速開啟，但一旦電流脈衝關閉則緩慢衰退，這是由於脈衝放大器有小關閉電阻的緣故。在電流脈衝任一側的尖波是樣品夾具中之雜散電容的結果。
藉由控制總入射脈衝電壓(因而和尖峰脈衝能量)、脈衝持續時間τ、脈衝系列入射在主動層上的時間長度T 1 、脈衝系列裡的脈衝重複率，則有可能控制主動層和周圍層的溫度。
使用這組態，如果阻抗測量要比電阻測量更為偏好，則DC測量系統可以輕易與交流電(AC)測量互換。
<使用的方法>
對區分已經擴散到主動層和周圍區域裡的不同環境構成物來說，主動層的溫度控制可以是重要的。舉例而言，於SnO2金屬叢集材料中，電子之叢集對叢集的傳輸是微弱鍵結於叢集表面之CO-的函數。這些鍵結在高於250℃的溫度下被打斷(並且清除了主動層的CO)。這極類似於發生在上面解釋之CNT主動層裡的導電和絕緣區域之間的過程。因而，會預期環境與主動層的交互作用會有熱活化。
氣體感測器包括像素，其包括二個電極14、16和導電的主動感測層18。主動感測層18在氣體感測器中扮演二種角色。首先，它的電子性質可以受到與環境刺激物(例如空氣中的氣體)之交互作用所影響。較佳而言，這是隨著電流通過主動感測層18而在電極14、16之間的電阻改變，其稱為「交互作用電阻」(interaction resistence)。使用低電流密度來測量交互作用電阻則可以指出存在於主動感測層18之中和之上的刺激物類型和量。其次，主動感測層18可以作為微米或奈米加熱器，因為其溫度可以藉由在電極14、16之間經由主動感測層18而通過高電流密度來控制。藉由變化感測器像素的溫度，則可以改變它與環境刺激物的交互作用，這將改變主動感測層18的電子性質，而導致不同的交互作用電阻。
有利而言，像素中的主動感測層18同時使用作為感測器和加熱器則提供了明確勝過先前技藝之氣體感測器的優點。雖然多數之先前技藝的氣體感測器依賴大加熱器，不過主動感測層18的小尺寸和熱質量允許像素的溫度做快速變化，而獨立於周圍裝置溫度。也就是說，像素具有極少的熱慣量，如此則可以在小於一秒而達成溫度的升降、浸泡、掃過。附帶而言，因為低質量加熱器有極小的熱容量，所以抵達特定的溫度僅消 耗極少的功率。
藉由控制或升降個別像素的溫度到不同的溫度，則可以測量獨特的氣體吸收特徵。舉例來說，在不同的溫度，氣體可以更強或更弱的附著於主動感測層18，或者氣體可以被完全驅離。可以使用這些熱誘發的不同氣體吸收特徵，以對不同的氣體產生對於溫度的特徵吸收曲線。
已熟知的是多樣的氣體對於材料的吸收、吸附或反應將改變多樣材料的電阻，其改變成濃度函數以及溫度函數。圖8顯示四條假設氣體吸收曲線。可以使用圖8的曲線以在決定氣體組成和濃度時將感測器裝置的回應加以模型化。於圖中，不同氣體的熱吸收圖譜是由不同的曲線G1到G4來顯示。每種不同的氣體具有不同的氣體吸收圖譜而成溫度函數。
圖8也顯示的是氣體圖譜的典型溫度範圍，其中氣體吸收過程是從室溫測量到約600℃，此取決於特定的氣體類型。圖9顯示70℃到120℃之區域中的範例性曲線，而氣體G1~G4的曲線為特徵函數f(x)、g(x)、h(x)、j(x)。操作上，主動感測層18的溫度可以在這整個範圍裡升降，而在這溫度升降過程期間可以測量主動感測層18的電阻改變。結果或可為ψ(x)所代表的曲線，其中x=T/T 0 並且T0是恆定的特徵溫度。氣體組成可以獲得為配適於以下方程式的第一近似：ψ(x)=n 1 f(x)+n 2 g(x)+n 3 h(x)+n 4 j(x)
其中n 1 、n 2 、n 3 、n 4 代表氣體G1~G4透過其個別函數f(x)、g(x)、h(x)、j(x)的濃度。舉例而言，如果未知氣體是G1，則氣體是藉由匹配曲線形狀f(x)而決定，並且濃度是由大小n 1 所決定。如果f(x)是線性的，則類型是由斜率所決定，並且濃度是由y截距所決定。
測量的電阻可以與已知圖譜做比較，以決定多樣的氣體或氣體組合的身分和濃度。隨著濃度增加或減少，訊號函數之y截距的大小增加或減少，但直線的斜率不會變，後者是吸收圖譜形狀的特徵，並且將不在多數的濃度位準下改變。
附帶而言，多樣的訊號增進層20或過濾層22可以搭配主動感測層18來使用，以進一步增加像素的回應或增加像素的選擇性。輕易與有興趣之氣體交互作用的一或更多種材料，可以使用作為訊號增進層20，其併入主動感測層18裡或者是在主動感測層18和環境之間。此種訊號增進層20可以增加交互作用電阻改變，而導致有較低的偵測門檻和較好的訊噪比。替代選擇而言，過濾層22可以定位在主動感測層18和環境之間，以避免不要的刺激物與主動感測層18交互作用，這樣可以進一步增加像素的敏感度和特定性。將體會一或多個訊號增進層20和一或多個過濾層22或可彼此搭配來使用。
有利而言，多重像素可以一起使用而成陣列。於一具體態樣，每個像素具有相同的組成。當用於具有低導熱率的基板12時，可以獨立的控制每個像素的溫度，並且可以同時測量在多樣溫度下的交互作用電阻。這可以導致有較快速的感測器速度，因為可以一次測量一範圍的溫度，而非使單一感測器像素升降經過不同的溫度。
於另一具體態樣，一或更多個像素(也稱為像素感測器)可以具有不同的組成。也就是說，像素可以是「混合和匹配的」(mixed and matched)，如此則某些像素的主動感測層是由單一、均勻的組成所形成(亦即整層具有化學相同的組成)，而某些像素的主動感測層或可是不同組成的混 合物(譬如訊號增進材料交互混合了另一材料，例如奈米碳管)。訊號增進層或可避免在每個像素中，或者它或可包括在特殊感測器陣列的一或更多個(或甚至每一個)像素中。於這具體態樣，每個像素可以控制到相同的溫度或到不同的溫度。不同組成的像素將與多樣的氣體做不同的交互作用，並且可以用來更精確的決定一種氣體的身分和濃度，或者可以同時決定多於一種氣體的身分和濃度。
溫度控制因為呈溫度函數的氣體吸收曲線性質而依賴感測器精確度。如果吸收曲線在裝置溫度的附近快速改變，則必須維持控制，如此則背景溫度的起伏不造成偽陽性訊號。因而，可以需要額外的溫度和相對溼度感測器以控制感測器系統的基線。如果背景溫度和氣體吸收曲線是熟知的，則調整的能量可以在加熱器中逸散以達成想要的溫度。
於進一步具體態樣，本發明提供微米加熱器或甚至奈米加熱器。於這具體態樣，加熱層可以藉由施加一系列電脈衝而加熱。每個個別的脈衝較佳而言小於約100微秒，更佳而言小於約70微秒，再更佳而言從約1微秒到約70微秒。一系列脈衝可以傳遞到加熱層而達持續時間，以便經由焦耳或歐姆加熱來加熱該層。這一系列脈衝較佳而言具有短的持續時間，亦即小於約5秒，較佳而言小於約3秒，更佳而言小於約1秒，再更佳而言從約1微秒到約1秒。
用於這些電脈衝的電壓較佳而言是從約25伏特到約500伏特，較佳而言從約50伏特到約350伏特，再更佳而言從約100伏特到約200伏特。雖然加熱層中的電載子電流密度取決於電阻和想要的溫度範圍而變化，但是典型而言從每平方公分約1,000到約10,000安培，較佳而言從每平 方公分約1,500到約7,000安培，更佳而言從每平方公分約2,000到約5,000安培。加熱層經歷至少約50℃的溫度增加，較佳而言至少約100℃，更佳而言至少約150℃，再更佳而言從約200℃到約300℃。
加熱層的厚度、形成它的材料及其他性質乃相同於上面針對主動感測層所述者。然而，於較佳的具體態樣，加熱層基本上或甚至就是由奈米碳管所構成。
如先前所述，雖然可以使用這加熱特色以「重置」(reset)或清除感測器裝置，但將體會本發明這具體態樣也可用於感測器科技以外的其他應用。舉例而言，這特色所可用的環境是須要將加熱與靠近加熱層的諸層、構件、裝置……實質隔離。這具體態樣的特殊用途環境是溼氣(例如來自水)和/或揮發性有機化合物(volatile organic compound，VOC)可以是有害的，並且須要控制移除該溼氣和/或VOC，特別是當該環境是微米或甚至奈米環境時。本發明方法將導致移除或蒸發至少某些所要移除的特殊標的化合物，較佳而言至少約70%之標的化合物，更佳而言至少約90%之標的化合物，再更佳而言約100%之標的化合物。
此種環境的一個範例是在微電子器材領域，其中即使存在小量的溼氣都可以對於存在的電子器材是有害的，但同時加熱那些電子器材則會損傷它們。於許多此種環境，加熱層會定位成相鄰於聚合物層、發光二極體(light-emitting diode[LED]，但尤其是有機LED)、玻璃層或類似者；並且加熱層或可加熱以移除任何溼氣，但不加熱聚合物層、LED或其他附近的構件，否則或可導致其軟化和/或移動。不管相鄰於加熱層之該層或構件的類型為何，該層或構件較佳而言經歷小於約20℃的溫度增加，較佳 而言小於約10℃，更佳而言小於約5℃，再更佳而言約0℃。
於某些應用，在上面討論之電壓和時間範圍的單一系列脈衝便是全部所需的。舉例而言，如果加熱層包括在微電子裝置中而須移除溼氣和/或VOC，則如上所述所給定的一系列脈衝或可足以移除裝置中存在的任何溼氣或VOC。於某些應用，可以想要重複該系列一或更多次，而在重複之間有所間隔。
<<範例>>
以下範例列出依據本發明的較佳方法。然而，要了解這些範例是以示例方式而提供，並且當中沒有東西應作為對本發明整體範圍的限制。
<範例1> CNT主動層環境感測器的製作
合成了多個感測器測試裝置，例如轉換器100，其組態顯示於圖10a、10b、10c。裝置的基板12是125微米厚的Kapton® HN膜(俄亥俄州Circleville的DuPont)。然後將銀電極14、16網版印刷到基板12上，這使用AG-800銀導電油墨(導電化合物)(網印機型號：AT-60PD，網版：聚酯，每英寸230線，覆墨/刮墨板(flood/squeegee)速度：每秒225毫米，覆墨刀(flood bar)壓力：每平方英寸10英磅，刮墨板壓力：每平方英寸25英磅)，並且以每分鐘10英寸的速度在130℃的輸送爐中熟化。熟化的Ag電極14、16具有5微米±2微米的厚度。CNT主動層(密蘇里州Rolla的Brewer科學公司)使用以下參數而跨越電極14、16來噴塗：平台溫度：135℃，掃描寬度：2毫米，流動率：每小時10毫升，掃描速度：每秒60毫米，噴灑頭： Sono-Tek型號：048-00214，使用3次跨越電極區域。裝置然後噴塗了OptiStack® SOC304材料(密蘇里州Rolla的Brewer科學公司)而直接在CNT主動層的頂部上。OptiStack®材料的噴塗條件是：2次、1毫米的噴灑寬度、每小時10毫升的注射器速度、音波功率設定在2.4瓦、每平方英寸1英磅的空氣壓力、每秒60毫米的掃描速度、135℃的平台溫度。
選擇多重裝置來測試。所選的裝置是以來自賓夕法尼亞州Warminster之Nicomatic北美公司的短公錫捲縮栓(#13595-12)而分開和定住。就在正常大氣(標準溫度和壓力[STP])條件和25% RH下合成之後，所選裝置的起始電阻名義上是在60千歐姆和600千歐姆之間。
<範例2> 溼度感測器的脈衝清除
範例1所製備的感測器是在環境腔室中測量，其中變化溫度和相對溼度二者。測量樣品之主動層的DC電阻，首先不使用脈衝清除，然後再使用脈衝清除。
環境腔室提供對於包圍樣品之相對溼度和溫度環境的起伏控制。環境腔室也包括二個經校正的標準化感測器：Honeywell© HIH-4000-003溼度感測器和National Instruments© LM335Z精確溫度感測器，以測量環境腔室裡緊密靠近在測試下之感測器的相對溼度和溫度。環境腔室經程式化以產生圖12所示的環境。輪廓分成二個循環：RH循環和T循環。在RH循環期間，溫度是恆定的；在T循環期間，RH是恆定的。RH在12小時之後達到90%(未顯示)。
於這範例，可變的電子電流脈衝系列參數是70微秒的脈衝 寬度、400赫茲的重複率、100伏特的恆定尖峰脈衝電壓。使用電子脈衝系列以加熱像素中的主動感測層18達4.4秒，然後測量電阻。在額外15分鐘之後(當中允許像素冷卻和收集溼氣)，再次使用脈衝系列來加熱像素4.4秒，並且整個實驗重複此模式。
樣品中之主動層的DC電阻是恰在脈衝清除系列之後來測量，所在時刻由圖3的Ra所指出。電流逆轉經過主動層，並且再次測量DC電阻。然後將圖13所示的真實Rmeas計算為正向和逆轉之數值的平均。於圖13，藍色資料代表無脈衝清除的DC電阻測量，並且橘色資料代表有脈衝清除的測量。圖13右邊的資料清楚顯示(紅色鑽石)：在90%相對溼度，來自主動層裡和周圍區域中的水氣對導電率有10%的貢獻。在脈衝清除這區域的水氣之後，樣品的電阻(藍色方塊)遵循樣品的真實溫度至優於1%。另一結果顯示於圖14，其中將感測器放入圖12所示的相同溫度和溼度循環，脈衝期間的電阻則轉換成溫度而連同標準化感測器所測量的溫度來作圖。標準感測器所測量的裝置真實溫度(方形)和轉換成溫度的裝置電阻(三角形)之間的關聯性顯示於圖14。這些結果指出環境溼度對於電阻的影響已經減少或消除。
當使用作為溼度感測器時，這感測器和脈衝清除科技可以藉由有和無脈衝系列來測量主動層的電阻而決定暴露於溼度所造成的差異，如圖15所示。圖15顯示標準感測器所測量的溼度(方形)與脈衝系列之前的電阻和脈衝系列期間的電阻之間差異所決定的溼度(三角形)。這二個測量彼此極為相關，並且裝置能夠在溫度循環期間測量溼度而無溫度交叉訊號。藉由將這差異校正於真實的RH，則可以決定環境溼度訊號。圖16和17顯 示單一感測器可以如何藉由改變操作模式而彼此獨立的來測量溫度和溼度二者。可以在脈衝系列期間使用電阻來測量溫度，並且可以藉由採取脈衝系列之前和期間的電流差異而測量溼度。圖16顯示脈衝系列期間的裝置電流(~1/R)而成溫度循環期間的裝置溫度函數。線性關係指出：在這測量模式，感測器是良好的溫度感測器。圖17顯示感測器訊號(在脈衝系列之前和期間的電流差異)而成RH循環期間的裝置溼度函數。這線性關係指出感測器當在這模式操作時是良好的溼度感測器。
<範例3> 使用CNT膜和脈衝清除來避免水擴散
感測器如範例1而製作，例外的是所用的基板12是透明的PET基板12，其具有估計為30±20奈米厚的CNT主動層。在這些極低主動層厚度下，主動層的質量是可忽略的，因此包圍主動層之區域中的溫度上升更是周圍訊號增進層20或基板12之熱容量的函數，而較不是主動層厚度的函數。在這些厚度，在電極14、16之間窗口的主動層是透明的，而讓整個裝置(主動層和基板12)在這窗口中是透明的，這對於某些應用(例如OLED)是基本的。於這範例，電極14、16之間的窗口是2.54毫米見方，但由於每平方的電阻是恆定的而可以放大到大很多的幾何型態。
環境腔室中的RH維持在恆定的88%，並且溫度維持在恆定的28℃。感測器放置在環境腔室三小時，如此則它或可與周圍環境達到平衡。在三小時之後，樣品的電阻掉落了12%。這改變是使電阻掉落的增加溫度和使電阻上升的增加溼度之淨效應的結果。
藉由使用如上所述在U6的閘極電腦控制，則在主動層中產 生熱的4.5秒脈衝系列後面跟著900秒間隔，後者當中沒有在主動層產生熱。使用這低的工作週期過程以使在主動層中保持包圍主動層之區域乾燥所需的平均功率逸散減到最少。雖然水擴散穿過介電膜的速度緩慢，但是這過程示範：極低的平均功率而有短的高尖峰能量可以有效阻擋水免於主動層，即使是在極熱和潮濕的條件下亦然。在這些低脈衝系列工作週期(4.5/900=0.5%)，阻擋水擴散所需的總能量為小，並且本科技具有實際的價值，例如用於對水敏感的OLED。
圖18顯示主動層電阻的結果，其在圖3所示形式的給定脈衝清除訊號下為時間函數。上方的圖形顯示在樣品裝置在88% RH和28℃的腔室三小時之後的乾燥過程。下方的圖形是恰在上方圖形之後的時間擴充。特定的訊號條件是：4.5秒的T 1 、15分鐘的T 2 、68微秒的τ、6,800的N、104微焦耳的脈衝能量。如從圖18所示資料可以看出：(隨著時間從上方圖形進展到下方圖形)，在測量點之間的15分鐘間隔，電阻穩定而不系統性起伏。這示範水氣持續從主動層和周圍區域擴散出來，並且當脈衝系列關閉長達15分鐘時不擴散回到裡面。
這範例主要關心的是脈衝清除科技要保持主動層和主動層下面的區域乾燥所需的平均能量。由於脈衝僅68微秒長，並且每15分鐘間隔有6,800個，每個能量為104微焦耳，故平均功率可以計算為0.8毫瓦。這對應於脈衝清除科技要保持感測器乾燥所需的最大平均電流為約100.0微安培。在這些低電流位準，AA電池或可供應足夠的能量來保持感測器乾燥達10,000小時。這低能量需求反映出極薄的區域被加熱，但可以有效阻擋水擴散。
<範例4> 脈衝清除裝置裡的溫度控制
範例1所製作的感測器(全都選擇在60千歐姆的範圍)安裝到空氣中的熱隔離結構，並且以變化的能量來脈衝化，而以校正成讀出溫度高達100℃的IR相機(Fluke型號TiR3)來測量主動層的溫度。相機定位成離樣品的正面約50公分。將IR相機顯示器上的測量游標放置在正面影像上而測量正面的溫度。隨著感測器表面的溫度在脈衝系列期間增加，並且在約2.0秒之後抵達平衡，相機(取樣更新率為133毫秒)測量最大溫度。對於這範例來說，使用了以下的條件：4.5秒的T 1 、15分鐘的T 2 、68微秒的τ、6,800的N。因為每個脈衝的能量藉由在脈衝期間變化尖峰電壓V p 而變化，所以能量計算成V p 2 /R meas 。於圖19，由於脈衝清除而在感測器表面上所獲得的溫度對尖峰脈衝電壓V p 作圖。這些區塊之間的V p 變化則是R meas 變化的結果。圖形清楚顯示：溫度和因此被迫離開主動層的揮發物類型可以藉由控制尖峰脈衝能量而控制。這科技將能夠選擇性決定外部樣品環境的揮發物。
圖20顯示一致的產生約200℃溫度所需的R meas 和V p 。這最終溫度是基於這溫度領域中所主控之對流熱轉移過程的線性天性，以及範例1所製作之感測器表面上高達100℃之測量資料的線性外插。對於低於約61千歐姆的電阻來說，抵達200℃所需的電壓隨著感測器的電阻而線性增加，該電阻是來自隨著溫度而指數減少的電阻以及隨著電壓平方而上升的功率之組合。對於高於61千歐姆的電阻來說，電壓位準有一高原並且減少，因為在這電壓和電阻的組合(和對應的電場)，額外載子被迫從主動層中的導 電顆粒到絕緣區域上(這稱為載子崩塌效應)。為了比較，整個區域的線性回應是以黑線來顯示。
<範例5> 使用脈衝加熱的高溫
使用脈衝加熱以在範例1所製作之感測器的表面上產生極高溫度。在4.5秒的T 1 、20分鐘的T 2 、68微秒的τ、9,067的N之脈衝條件下，而脈衝尖峰電壓為1.01×R 0 (其中R 0 是裝置的起始室溫電阻)，SOC材料在近似250℃分解。Kapton®膜基板12使用以下的脈衝條件而在近似600℃熱解：4.5秒的T 1 、20分鐘的T 2 、68微秒的τ、9,067的N，而尖峰脈衝電壓為約1.35×R 0 。舉例而言，室溫電阻為281千歐姆的裝置在380伏特熱解。在低於熱解溫度，樣品的CNT主動層未受損，並且室溫電阻不顯示顯著改變。圖21顯示經熱解之感測器的影像。
<範例6> CNT/鈀氣體感測裝置的製作
裝置如圖10a、10b、10c所示製作在Melinex® ST730 PET基板12上。然後將銀電極14、16網版印刷到基板12上，其使用AG-800銀導電油墨(導電化合物)(網印機型號：AT-60PD，網版：聚酯，每英寸230線，覆墨/刮墨板(flood/squeegee)速度：每秒225毫米，覆墨刀壓力：每平方英寸10英磅，刮墨板壓力：每平方英寸25英磅)，並且以每分鐘10英寸的速度在130℃的輸送爐中熟化。熟化的Ag電極14、16具有5微米的厚度。CNT主動感測層18(密蘇里州Rolla的Brewer科學公司)使用以下參數而跨越電極14、16來噴塗：平台溫度：135℃，掃描寬度：2毫米，流動率：每 小時10毫升，掃描速度：每秒60毫米，噴灑頭：Sono-Tek(型號：048-00214)，使用3次跨越電極區域。絕緣鈀層然後在約120毫托耳的壓力、30毫安培左右的電漿電流而DC濺鍍在表面上達350秒。鈀層的厚度是濺鍍時間的函數，並且調整成使得原子或分子形貌呈叢集或島嶼，其是非導電的。以此方式製作了32個裝置。
<範例7> 四像素氣體感測器的製作
根據圖2所示的四像素裝置圖解來製作感測器。四個矩形都是基於CNT的「像素」，而其他五種形狀是電極。四像素裝置的照片顯示於圖22。
四個像素的組成相同並且是由SnO2所官能化的CNT油墨所形成。裝備了在氮下乾燥回流冷凝器之爐中乾燥的三頸燒瓶和乾燥的添加漏斗放置於油浴中。20毫升的無水1,3-丁二醇(Sigma Aldrich，產品編號：309443，批號SHBG0918V)放置於添加漏斗中並且加入燒瓶裡，並且以每分鐘350轉來攪拌。然後，2.5毫米(0.00070411莫耳)的異丙氧化錫(IV)(溶於IPA/甲苯成10%，Sigma Aldrich產品編號：760153，分子量[MW]=355.06)經由注射器而放置到反應燒瓶裡。這在油浴中加熱到100℃。溶液並未霧化，表示SnO2尚未形成。分散在2-甲基-1,3-丙二醇(密蘇里州St.Louis的Sigma Aldrich，產品編號375721)中之25毫米的官能化管狀奈米碳管(密蘇里州Rolla的Brewer科學公司，在550奈米的光學密度=47.8)經由某一側臂而添加到燒瓶。
在反應30分鐘之後，溫度設定為200℃，並且計時器設定為 1200分鐘。在1200分鐘之後，關閉反應並且冷卻到室溫。收集和印刷這油墨而無進一步處理。
圖2所示之四像素裝置的銀電極使用ATMA AT-60PD網印機而印刷在Kapton®基板12上，並且在像素網版印刷程序之前先熱熟化。披覆了SnO2的奈米碳管油墨網版印刷在銀電極的頂部上。滾軸速度設定為每秒125毫米。123-70 PET網版使用8微米乳液(Sefar公司所供應的E80)。油墨在280℉的輸送爐中乾燥，輸送帶以每分鐘46英寸來運行。像素的表面上不印刷包封層。
在裝置合成過程過了一天之後測量像素的電阻，其顯示於表1。該表顯示每個四像素裝置在網版印刷過程之後的電阻(千歐姆)。基板12上的每個裝置是以上方的[列]-[行]命名法則來辨識。下方的四個數值是個別的像素電阻。
在定出四像素裝置的特徵之後，進行鈀金屬物理氣相沉積(PVD)過程以在每個像素之SnO2官能化的CNT網版印刷層上製出鈀金屬島嶼。一次一片的將5Å的鈀電子束沉積在像素的表面上。這過程是由位在在JVIC設施的應用科學和工程中心所進行。在這鈀PVD過程之後，再次測量個別像素的電阻。表2顯示在鈀沉積之後的電阻。
在定出四像素裝置的特徵之後，進行鈀金屬物理氣相沉積(PVD)過程以在每個像素之SnO2官能化的CNT網版印刷層上製出鈀金屬島嶼。一次一片的將5Å的鈀電子束沉積在像素的表面上。這過程是由位在在JVIC設施的應用科學和工程中心所進行。在這鈀PVD過程之後，再次測量個別像素的電阻。表2顯示在鈀沉積之後的電阻。
<範例8> 用於微量氣體測試之平台的組裝
微量氣體測試平台建構成如圖23的方塊圖所示。
測試下的感測器是以電真空饋穿連接而安裝於樣品腔室中。在測試之前，樣品腔室藉由打開主真空閥並且開啟渦輪泵而抽真空到小於100毫托耳，如對流量表(convection gauge，CVG)所測量。也開啟控制氣體進入樣品腔室的真空閥，以將從氣體流動控制器到樣品腔室的線路抽真空。打開用於氣體的瓶閥，並且調節器設定為標準室內壓力。氣體1連接到室內空氣，並且氣體2連接到測試下的氣體。樣品腔室的壓力在測試期間維持稍微低於正常的室內壓力(760托耳)而在600托耳。安全壓力解除閥在圖23的「A」稍微釋放為740托耳。因為這閥具有對樣品腔室的極大輸出，所以如果活化的話便立即排掉內容物。
使用MKS型號1179A和2179A Mass-Flo®控制器，其與二個MKS型號179A Mass-Flo計工作，以精確測量流動到樣品腔室裡的氣體量。這些儀表在工廠校正於N2氣體，並且可以使用量表修正因素以將這些數字轉換成其他氣體的流動率。舉例而言，N2的量表因素乃定義成1.00。舉例而言，當使用氫時，必須從氫的比熱、密度、雙原子天性來計算量表因素。使用這些數字，則氫的量表因素是1.011。量表因素乘以氣體2之Mass-Flo 計上的讀出以決定進入樣品腔室裡的真實氫流動率。
以每分鐘10.0標準狀態立方公分(STP cubic cm per minute，SCCM)的速率來將STP下的N2流動引入在恆定溫度的樣品腔室裡，並且使用隔膜量表來測量總壓力，而精確決定樣品腔室的總體積。隔膜量表是Omega型號DPG8001，其顯示精確度為0.1托耳並且範圍在5到1000托耳。已經流動到樣品腔室裡之氣體的質量(或莫耳數)可以使用179A Mass-Flo計、在STP下的莫耳體積(每莫耳22.4公升)、氣體的分子量而計算成時間的函數。如果流動到樣品腔室裡的莫耳數(為時間函數)對樣品腔室的壓力(為時間函數)作圖，則結果極接近線性圖形(理想氣體定律)，其中斜率與樣品腔室的總體積成正比。使用理想氣體常數和恆定的背景溫度，則樣品腔室的總體積決定為942.4立方公分。
在包含測試感測器的樣品腔室抽真空之後，關閉主真空閥，並且室內空氣經由在氣體1的流動控制器而流動到系統裡。當隔膜量表所讀出之樣品腔室中的總壓力是600托耳時，關閉室內空氣流動控制器。這是操作固態金屬/金屬氧化物偵測過程來運作所需的背景空氣。
在已經建立背景訊號之後，測試氣體以在氣體2之流動控制器所決定的速率而流動到系統裡。引入樣品腔室裡之測試氣體的精確量是由控制器上所設定的流動率、量表因素、流動控制器開啟的時間量來決定。這些參數是由特定實驗的細節所設定。在測試氣體流動控制器開啟之前，感測器回應乃相對於背景訊號。
於這操作模式，系統是氣體混合腔室，而非氣體流動腔室。如果打開洩漏閥並且氣體流動經過測試感測器而穿過系統，則系統也可以 使用作為氣體流動腔室。於氣體混合操作模式，測試氣體必須從氣體輸入管線擴散到測試感測器，這花一段時間(擴散時間)。
<範例9> 像素溫度的測試
使用FLIR相機型號AX5來測量個別像素在加熱主動感測層18期間由於脈衝系列所產生的溫度。相機定位成離範例7所製作之SnO2/鈀四像素裝置的表面有5公分。相機設定包括30赫茲的畫框更新率和低輸入帶通設定以測量100℃以上的溫度。四個像素之中僅一者被活化；其影像顯示於圖24a。於圖24a，像素顯示成在紅和綠線後面的白(或熱)區域。紅和綠線代表像素在加熱脈衝系列循環期間的x和y方向溫度輪廓。這些溫度輪廓顯示於圖24b(x方向)和24c(y方向)。輪廓指出溫度是典型的高斯(Gaussian)分布，而像素的中央抵達最高溫度。對於這測試，脈衝系列參數是68微秒的脈衝寬度、500赫茲的重複率、100伏特的恆定尖峰脈衝電壓。
這脈衝系列加熱像素的主動感測層18達4.4秒。在額外30秒之後(當中允許像素冷卻)，再次使用脈衝系列來加熱像素達4.4秒。實驗的持續時間則重複這模式。一加熱脈衝系列的結果顯示於圖24。這較長期的循環可以在圖24d看出，其中每30秒重複該等熱脈衝。應注意FLIR相機測量像素的表面溫度，而正在產生熱的微米和奈米區域可以熱很多。
平均像素溫度(由FLIR相機測量)在圖25顯示成像素電阻和重複率的函數。較高電阻的像素需要較高的重複率以達成相同的溫度。這是當像素電阻較高時在100伏特有較低電流的結果。於所有情形，脈衝寬度固定在68微秒。圖中顯示的冪次配適則指出冪次律的歐姆加熱過程。
圖26顯示針對不同的像素組成和脈衝系列期間之平均像素電流的像素溫度。圖形消除了像素溫度對於像素電阻的相依性，然而像素電流相較於重複率則是在脈衝系列期間所更難控制的參數。為了固定像素平均電流，電壓會需要做變化。
<範例10> 以脈衝式電子器材來做氫測試
範例6所製作的測試感測器乃安裝和測試於範例8所述的系統，其使用氣體混合操作模式。樣品使用圖27所示的電路來測試，而可變的電子電流脈衝系列參數為70微秒的脈衝寬度、625赫茲的重複率、100伏特的恆定尖峰脈衝電壓。
這脈衝系列加熱像素的主動感測層18達4.4秒。然後允許像素冷卻30秒，之後再次使用脈衝系列來加熱像素4.4秒。實驗的持續時間重複這模式。在時間過了11：30分鐘(如圖28的藍色箭號所示)，氫流動控制器開啟達20秒，其設定為3.0SCCM。使用腔室的體積(範例8所決定)，則引入樣品腔室裡的氫質量對腔室裡的空氣質量之比例計算為1,358ppm。如該圖所示，感測器立即拾取微量的氫訊號，並且感測器訊號隨著氫氣從入口擴散到腔室裡的感測器而持續上升。於圖28，每個點代表3秒加熱循環。Rb是加熱之前的訊號，Rd是加熱期間的訊號，Ra是加熱之後的訊號。
感測器的敏感度可以由觀察訊號相較於起伏雜訊的比例(或訊噪比[SNR])而決定。感測器的SNR使用圖28之線性區域所示的資料來決定，其顯示於圖29。由該圖形，雜訊可以從靠近資料之線性最佳配適的平均起伏來計算，如圖29的虛線所示，並且訊號可以從直線的高和低限來計 算。使用這方法，則這感測器的SNR是140。在1.0的SNR，訊號等於雜訊，因而是在感測器的偵測極限。這暗示感測器的偵測極限是9.7ppm之氫的訊號。然而，為了註記良好的SNR，正常而言想要有高於雜訊10分貝的訊號。對於10分貝的SNR(亦即訊號多於雜訊)來說，用於此範例的感測器裝置會需要31ppm的氫濃度。
這範例示範在1,338ppm的最大氫濃度和上面設定的脈衝加熱參數下，感測器理論上可以在10分貝的SNR下偵測31ppm的微量氫氣濃度。
<範例11> 以脈衝式電子器材和較高像素溫度來做氫測試
範例6所製作的測試感測器乃安裝和測試於範例8所述的系統，其使用氣體混合操作模式。樣品以相同於範例10的方式來測試，但具有以下可變的電子電流脈衝系列參數：70微秒的脈衝寬度、800赫茲的重複率、100伏特的恆定尖峰脈衝電壓。
如於範例10，這電子脈衝系列加熱像素裡的主動感測層18達3.0秒。在額外30秒之後(當中允許像素冷卻)，再次使用脈衝系列來加熱像素3.0秒，並且整個實驗重複此模式。脈衝重複率是決定像素之最終溫度的參數。隨著重複率增加，電流工作週期增加(前提是脈衝寬度維持相同)，而在主動感測層18加熱器裡生成較大的平均電流。這較大的電流在主動感測層18裡產生更多的熱逸散，並且在相同的3秒脈衝系列時間之後導致較高溫度。
這實驗結果顯示於圖30。在這較高的像素溫度，感測器裝 置對於氫微量濃度更為敏感。在時間過了16：30分鐘，僅113ppm的氫訊號引入樣品腔室裡。感測器裝置回應的偵測極限為1.6ppm，並且5.0ppm時有10分貝的訊號。訊號位準隨著氫從入口擴散到感測器而持續增加。在800赫茲，裝置操作的方式要比當在625赫茲操作時(範例3)要敏感得多，後者的10分貝訊號是31ppm。於圖30，每個點代表3秒加熱循環。Rb是加熱之前的訊號，Rd是加熱期間的訊號，Ra是加熱之後的訊號。
就氫氣的特定性或選擇性而言，圖2所示之裝置的一個像素或可在625赫茲下運作，並且另一像素或可在800赫茲下運作。結果，每個像素在3秒脈衝系列之後會在不同的最終溫度。如本範例和範例10所示，這會導致不同的訊號，因為像素有不同的敏感度(分別是5ppm、31ppm)。因而，以這二個像素來說，可以決定獨特的鈀金屬叢集吸收氫而成溫度函數的斜率，而使裝置要比目前單一溫度/單一像素裝置還更有氫氣特定性。
<範例12> 以一氧化碳來測試四像素氣體感測器
於這範例，測量範例7所製作之CNT/SnO2/鈀裝置對於一氧化碳的脈衝加熱敏感度。這裝置的效能以相同於範例10所述的方式來決定，以測量主動感測層18在脈衝系列之前、期間、之後的電阻改變，但具有以下可變的電子電流脈衝系列參數：70微秒的脈衝寬度、400赫茲的重複率、100伏特的恆定尖峰脈衝電壓。
這電子脈衝系列加熱像素裡的主動感測層18達4.4秒。然後允許像素冷卻30秒，並且再次使用脈衝系列來加熱像素4.4秒。整個實驗重複此模式。於這範例，由於有較小的3千歐姆像素阻抗，故脈衝重複 率設定為400赫茲。像素在測試期間的溫度近似122℃。
這範例實驗的結果顯示於圖31和32。在時間過了11：30分鐘，1.7% CO的訊號引入樣品腔室裡。感測器裝置回應的偵測極限為156ppm，並且在176ppm有1.0分貝的訊號。訊號位準隨著CO從入口擴散到感測器而持續增加，然後如所預期的變平。
實驗以較低的脈衝重複率而再次重複，因而有較低的溫度。使用200赫茲的重複率，導致約70℃的溫度。於較低的溫度運作，相同量的CO氣體引入樣品腔室裡。圖33和34顯示在較低脈衝率的回應。在這較低溫度觀察到較低的CO敏感度(1.0分貝訊號)，其在540ppm。這較低敏感度是CO吸收曲線為溫度函數之差異的直接結果。二個溫度的敏感度改變除以溫度改變是像素增進層中的CO氣體熱吸收圖譜所獨特的。
<範例13> 以甲烷來測試四像素氣體感測器
於這範例，測量範例7所製作之CNT/SnO2/鈀裝置對於甲烷的脈衝加熱敏感度。這裝置的效能是以相同於範例10所述的方式來決定，以測量主動感測層18在脈衝系列之前、期間、之後的電阻改變，但具有以下可變的電子電流脈衝系列參數：70微秒的脈衝寬度、400赫茲的重複率、100伏特的恆定尖峰脈衝電壓。
這電子脈衝系列加熱像素裡的主動感測層18達4.4秒。然後允許像素冷卻30秒，並且再次使用脈衝系列來加熱像素4.4秒。整個實驗重複此模式。於這範例，由於有較小的3千歐姆像素阻抗，故脈衝重複率設定為400赫茲。溫度近似122℃。
這實驗結果顯示於圖35和36。在時間過了11：30分鐘，1.7% CH4的訊號引入樣品腔室裡。感測器裝置回應的偵測極限為553ppm，以及在623ppm有1.0分貝的訊號。訊號位準隨著CH4從入口擴散到感測器而持續增加，然後如所預期的變平。
實驗以較低的脈衝重複率來再次重複，因而有較低的溫度。使用200赫茲的重複率，而導致約70℃的溫度。如在較低溫度的運作，相同的(1.7%)CH4氣體引入樣品腔室裡。圖37和38顯示在較低溫度的回應。在這較低溫度觀察到較低的CH4敏感度(1.0分貝訊號)，其在1100ppm。這較低敏感度是CH4吸收曲線為溫度函數之差異的直接結果。
<範例14> 以水來測試氣體感測器
圖39顯示感測器回應隨著環境腔室的相對溼度改變而有相對改變，其脈衝參數在200赫茲，否則就相同於上面所示情形的400赫茲。特定而言，使用70微秒的脈衝寬度、400赫茲的重複率、100伏特的恆定尖峰脈衝電壓。使用電子脈衝系列以加熱像素中的主動感測層18達4.4秒，然後測量電阻。在額外15分鐘之後(當中允許像素冷卻並且收集溼氣)，再次使用脈衝系列來加熱像素4.4秒，並且整個實驗重複此模式。相對溼度從20%爬升到80%並且再次掉回來。在這尖峰的電阻改變為約16%。因而，四像素氣體感測器的H2O氣體吸收曲線會具有以下終點：當像素在200赫茲速率脈衝化時之16%的電阻改變，以及當在400赫茲脈衝化時則為0%。這由於水氣吸收所導致的獨特斜率可以與氣體吸收電阻改變做區分，而給出裝置的氣體選擇性。
<範例15> 示範感測器的敏感度和選擇性
選擇二個不同的平均像素溫度(70℃和122℃)來顯示：在這些溫度下之電阻數值改變的斜率乃指出氣體CO、CH4、H2、H2O有不同的熱氣體圖譜。這些點之間的斜率則指出氣體類型。
這二點的像素溫度是以如範例9所述的FLIR AX5 IR研究相機來測量。如範例7所製作的裝置從該片來加以分切，並且使用披覆錫的捲縮栓而對電極做電連接。裝置乃安裝和測試於範例8所述系統，並且使用氣體混合操作模式來測試。用於測量單一像素或四像素裝置之回應的程序與之前的範例相同，但具有以下可變的電子電流脈衝系列參數：70微秒的脈衝寬度、70℃為200赫茲和122℃為500赫茲的重複率、100伏特的恆定尖峰脈衝電壓。
氣體CO、H2、H2O、CH4引入裝置環境而成時間函數，其如圖40所示的階梯方式。恰在脈衝系列之後的電阻測量結果顯示於圖41。對於在溫度測量之間的線性內插來說，連接二個測量之直線的斜率則指出氣體類型。
如圖41所示，由於感測器在高於100℃的溫度下乾燥，故在122℃的像素溫度下沒有水訊號。
<範例16> 決定速度和遲滯
範例6所製作的裝置首先在空氣中暴露於113ppm的氫，然後樣品腔室泵抽成真空。如圖42所示，裝置首先以極類似於圖30所示的方 式來回應於氫；而在移除氫之後，則訊號返回到在引入H2之前的原始基線。降低氫濃度有較快的回應，這是因為相較於氣體從入口較慢擴散到樣品來看，系統有快速的真空泵輸出。這資料指出裝置的速度要比從氣體入口到樣品的擴散時間還快。
雖然本發明已經參考附圖所示範的具體態樣來描述，但是要注意可以採用等同者並且可以在此做出替代者，而不偏離本發明如請求項所述的範圍。
因此已經描述了本發明之多樣的具體態樣，而主張是新的並且想要由專利證書所保護的則包括如下。

Claims (63)

  1. 一種環境感測器，其包括：第一和第二電極，其由導電材料所形成，該等電極彼此隔開並且定位在基板上；以及主動感測層，該主動感測層定位在該基板上，並且直接接觸每個電極的至少一部分，該主動感測層建構成回應於靠近該主動感測層之構成氣體的特徵改變而經歷電特徵的改變，並且進一步建構成直接從該等電極接收能量以將該主動感測層的溫度設定為特定數值。
  2. 如申請專利範圍第1項的環境感測器，其中該電特徵是電阻。
  3. 如申請專利範圍第1項的環境感測器，其進一步包括訊號增進層，其定位成接觸該主動感測層的頂面，並且建構成增進該主動感測層之該電特徵的該改變。
  4. 如申請專利範圍第3項的環境感測器，其中該訊號增進層是由選自以下所構成之群組的材料所形成：選擇性氣體吸收材料、選擇性氣體吸附材料及其混合物。
  5. 申請專利範圍第4項的環境感測器，其中該訊號增進層包括金屬氧化物。
  6. 如申請專利範圍第1項的環境感測器，其進一步包括過濾層，其定位成接觸該主動感測層的頂面，並且建構成將該主動感測層與選擇的環境刺激物隔離。
  7. 如申請專利範圍第1項的環境感測器，其中該主動感測層包括奈米碳管。
  8. 如申請專利範圍第1項的環境感測器，其中該主動感測層建構成接收熱能。
  9. 一種環境感測器陣列，其包括：多個像素感測器，每個像素感測器包括：第一和第二電極，其由導電材料所形成，該等電極彼此隔開並且定位在基板上；以及主動感測層，其定位在該基板上並且直接接觸每個電極的至少一部分，每個像素感測器的該主動感測層建構成回應於靠近該主動感測層之特定構成氣體的特徵改變而經歷電特徵的改變，並且進一步建構成直接從該等電極接收熱能以將該主動感測層的溫度設定為特定數值。
  10. 如申請專利範圍第9項的環境感測器陣列，其中每個像素感測器的該主動感測層獨立的由以下所形成：a.單一、均勻的組成；或者b.組成的混合物。
  11. 如申請專利範圍第10項的環境感測器陣列，其中至少一像素感測器的該主動感測層是由單一、均勻的組成所形成，並且至少一像素感測器的該主動感測層是由組成的混合物所形成。
  12. 如申請專利範圍第10項的環境感測器陣列，其中至少一像素感測器包括訊號增進層，其相鄰於該主動感測層。
  13. 如申請專利範圍第12項的環境感測器陣列，其中該訊號增進層包括金屬氧化物。
  14. 如申請專利範圍第10項的環境感測器陣列，其中該組成的混合物包括 訊號增進材料。
  15. 如申請專利範圍第14項的環境感測器陣列，其中該訊號增進材料包括金屬氧化物。
  16. 如申請專利範圍第10項的環境感測器陣列，其中每個像素感測器的該主動感測層獨立的由以下所形成：a.奈米碳管；或者b.奈米碳管，其混合了回應於特定構成氣體的訊號增進材料，該奈米碳管和該訊號增進材料的混合物形成單一層。
  17. 如申請專利範圍第16項的環境感測器陣列，其中至少一像素感測器的該主動感測層是由奈米碳管所形成，並且至少一像素感測器的該主動感測層是由混合了該訊號增進材料的奈米碳管所形成。
  18. 如申請專利範圍第9項的環境感測器陣列，其中該電特徵是電阻。
  19. 一種以環境感測器來決定構成氣體的方法，該方法包括：a.產生一系列電脈衝，其由環境感測器的第一和第二電極所接收，該系列電脈衝建構成設定該環境感測器的溫度；b.在產生該系列電脈衝的期間，測量該環境感測器的第一和第二電極之間的第一電阻；c.重複a.和b.多次，使得每一系列電脈衝將該環境感測器設定為不同的溫度，而導致包括多個第一電阻測量的第一圖譜，每個溫度有一第一電阻測量；以及d.比較該第一圖譜與多個回應圖譜，每個回應圖譜對應於多個構成氣體中之接續一者的熱圖譜回應。
  20. 如申請專利範圍第19項的方法，其進一步包括決定哪個回應圖譜最緊密匹配該第一圖譜。
  21. 如申請專利範圍第19項的方法，其中每個回應圖譜對應於多個構成氣體之組合的熱圖譜回應，並且該方法進一步包括決定哪個回應圖譜最緊密匹配該第一圖譜。
  22. 如申請專利範圍第19項的方法，其進一步包括決定多個組合的構成氣體之每一者的組合回應圖譜，並且決定哪個組合回應圖譜最緊密匹配該第一圖譜。
  23. 如申請專利範圍第19項的方法，其中每個電脈衝是電壓脈衝。
  24. 如申請專利範圍第19項的方法，其中每個電脈衝是電流脈衝。
  25. 如申請專利範圍第19項的方法，其中每一系列電脈衝產生達第一時間並且包括多個電脈衝，每個電脈衝具有脈衝寬度持續時間，而該系列電脈衝是在重複率下產生。
  26. 如申請專利範圍第19項的方法，其進一步包括在產生接續系列的電脈衝之間等候達第二時間。
  27. 如申請專利範圍第19項的方法，其中每個第一電阻測量是在一系列電脈衝期間所做之多個電阻測量的平均數值。
  28. 一種以包括多個像素感測器的環境感測器陣列來決定構成氣體的方法，該方法包括：a.產生一系列電脈衝，其由每個像素感測器的第一和第二電極所接收，該系列電脈衝建構成設定每個像素感測器的不同溫度；b.在產生該系列電脈衝的期間，測量多個電阻，每個電阻是在接續之 像素感測器的該第一和第二電極之間測量，而導致包括每個溫度有一電阻測量的圖譜；以及c.比較該圖譜與多個回應圖譜，每個回應圖譜對應於多個構成氣體之接續一者的熱圖譜回應。
  29. 如申請專利範圍第28項的方法，其進一步包括決定哪個回應圖譜最緊密匹配該圖譜。
  30. 如申請專利範圍第28項的方法，其中每個回應圖譜對應於多個構成氣體之組合的熱圖譜回應，並且該方法進一步包括決定哪個回應圖譜最緊密匹配該圖譜。
  31. 如申請專利範圍第28項的方法，其進一步包括決定多個組合的構成氣體之每一者的組合回應圖譜，並且決定哪個組合回應圖譜最緊密匹配該圖譜。
  32. 如申請專利範圍第28項的方法，其中每個電脈衝是電壓脈衝。
  33. 如申請專利範圍第28項的方法，其中每個電脈衝是電流脈衝。
  34. 如申請專利範圍第28項的方法，其中每一系列電脈衝產生達第一時間並且包括多個電脈衝，每個電脈衝具有脈衝寬度持續時間，而該系列電脈衝是在重複率下產生。
  35. 如申請專利範圍第28項的方法，其進一步包括在產生接續系列的電脈衝之間等候達第二時間。
  36. 如申請專利範圍第28項的方法，其中每個電阻測量是在一系列電脈衝期間所做之多個電阻測量的平均數值。
  37. 一種以環境感測器來決定構成氣體濃度的方法，該方法包括： a.測量環境感測器的第一和第二電極之間的第一電阻；b.產生一系列電脈衝，其由該第一和第二電極所接收，該系列電脈衝建構成設定該環境感測器的溫度；c.在產生該系列電脈衝之後，測量該第一和第二電極之間的第二電阻；d.從該第一電阻測量減掉該第二電阻測量；以及e.決定靠近該環境感測器之構成氣體濃度的數值，其對應於該第一電阻測量和該第二電阻測量之間的差異。
  38. 如申請專利範圍第37項的方法，其中該構成氣體是二或更多種氣體的組合。
  39. 如申請專利範圍第37項的方法，其中該第一電阻測量是二個電阻測量的平均數值，一電阻測量具有第一極性，並且另一電阻測量具有相反的第二極性。
  40. 如申請專利範圍第37項的方法，其中該第二電阻測量是二個電阻測量的平均數值，一電阻測量具有第一極性，並且另一電阻測量具有相反的第二極性。
  41. 如申請專利範圍第37項的方法，其進一步包括在該系列電脈衝期間測量第三電阻，並且使用該第三電阻來調整該系列電脈衝的一或更多個參數，以便控制該環境感測器的該溫度。
  42. 如申請專利範圍第37項的方法，其中該系列電脈衝在重複率下施加達第一時間，每個電脈衝具有脈衝寬度持續時間和大小數值，其中該第一和第二電極轉移熱能到該環境感測器的主動感測層而設定該溫度。
  43. 如申請專利範圍第37項的方法，其中每個電脈衝是電壓脈衝。
  44. 如申請專利範圍第37項的方法，其中每個電脈衝是電流脈衝。
  45. 一種加熱環境感測器的方法，該環境感測器包括第一和第二電極以及接觸該等電極的主動感測層，該方法包括：施加一系列電脈衝到該第一和第二電極，該系列電脈衝在重複率下施加達第一時間，每個電脈衝具有脈衝寬度持續時間和大小數值，其中該第一和第二電極轉移熱能到該主動感測層而設定該環境感測器的溫度。
  46. 如申請專利範圍第45項的方法，其中該第一時間、該重複率、該脈衝寬度持續時間、該大小數值中之二或更多者的組合決定了該環境感測器的該溫度。
  47. 如申請專利範圍第45項的方法，其中該組合選擇成設定該環境感測器的該溫度，以蒸發或分解該主動感測層中所擴散的構成氣體。
  48. 如申請專利範圍第45項的方法，其進一步包括在該系列電脈衝期間測量電阻，並且使用該電阻來調整該第一時間、該重複率、該脈衝寬度持續時間、該大小數值中的一或更多者，以便控制該環境感測器的該溫度。
  49. 如申請專利範圍第45項的方法，其中每個電脈衝是跨越該第一和第二電極所施加的電壓脈衝，該電脈衝具有電壓大小數值。
  50. 如申請專利範圍第45項的方法，其中每個電脈衝是注入該第一電極或該第二電極的電流脈衝，該電脈衝具有電流大小數值。
  51. 一種微米或奈米加熱方法，其包括施加電脈衝到包括奈米碳管的加熱 層，該電脈衝具有小於約100微秒的持續時間。
  52. 如申請專利範圍第51項的方法，其中該施加包括施加一系列的該等電脈衝。
  53. 如申請專利範圍第52項的方法，其中該系列具有小於約5秒的持續時間。
  54. 如申請專利範圍第51項的方法，其中該脈衝是在從約25伏特到約500伏特的電壓下來施加。
  55. 如申請專利範圍第51項的方法，其中該加熱層基本上由奈米碳管所構成。
  56. 如申請專利範圍第53項的方法，其中該脈衝是在從約100伏特到約200伏特的電壓下來施加。
  57. 如申請專利範圍第51項的方法，其中該加熱層具有小於約100奈米的厚度。
  58. 如申請專利範圍第51項的方法，其中該加熱層具有從約5千歐姆到約10百萬歐姆的電阻。
  59. 如申請專利範圍第52項的方法，其中該加熱層相鄰於一構件，其選自以下所構成的群組：聚合層、發光二極體、玻璃層及前述的組合。
  60. 如申請專利範圍第52項的方法，其中該施加導致該加熱層經歷至少約50℃的溫度增加。
  61. 如申請專利範圍第59項的方法，其中該施加導致該構件經歷小於約20℃的溫度增加。
  62. 如申請專利範圍第52項的方法，其中該加熱層是在包括移除標的物之 環境中，並且該施加導致移除了至少某些的該移除標的物。
  63. 如申請專利範圍第62項的方法，其中該移除標的物選自以下所構成的群組：溼氣、揮發性有機化合物及其混合物。
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