專(zhuān)利名稱(chēng)：傳感器設(shè)備及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量周?chē)h(huán)境中的氣體濃度的傳感器設(shè)備。
背景技術(shù)：
金屬氧化物半導(dǎo)體(“M0S”)傳感器和其他類(lèi)型的傳感器是已知的，并且用于測(cè)量氣體濃度水平。例如，MOS傳感器對(duì)于多種不同的氣體是交叉敏感的，所述氣體包括甲烷、 氫氣、乙醇和異丁烷。

發(fā)明內(nèi)容
公開(kāi)了一種傳感器設(shè)備，其包括具有氣敏表面的金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器，該氣敏表面通常具有對(duì)于第一種可燃?xì)怏w的第一靈敏度和對(duì)于第二種不同的可燃?xì)怏w的第二靈敏度。在該氣敏表面上布置有選擇性靈敏度增進(jìn)層，來(lái)提高該第一靈敏度，并且使得該第二靈敏度基本保持不變。還公開(kāi)了一種加工傳感器設(shè)備的方法，其包括在氣敏表面上形成選擇性靈敏度增進(jìn)層，來(lái)提高第一靈敏度，使得該第二靈敏度基本保持不變。在另一方面，傳感器設(shè)備可以包括金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器，該半導(dǎo)體傳感器具有氣敏表面和布置在該氣敏表面上的含硅化合物層。


對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，從下面的詳細(xì)說(shuō)明中，所公開(kāi)的實(shí)施例的不同特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。伴隨著該詳細(xì)說(shuō)明的附圖可以簡(jiǎn)要描述如下。圖1表示了一種示例性的傳感器設(shè)備。圖2圖示了幾種樣品傳感器的靈敏度。
具體實(shí)施例方式圖1表示了示例性的傳感器設(shè)備20的所選擇的部分，其適于對(duì)選定種類(lèi)的可燃?xì)怏w例如氫氣具有提高的靈敏度。例如，該傳感器設(shè)備20可以用于這樣的環(huán)境中，該環(huán)境可以包含許多不同種類(lèi)的可燃?xì)怏w。在利用氫氣驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛(例如商務(wù)巴士或者其他運(yùn)輸裝置)的情況中，可能期望的是提高氫氣的檢測(cè)。大部分的金屬氧化物半導(dǎo)體(“M0S”)傳感器通常對(duì)于周?chē)h(huán)境中的其他氣體比對(duì)于氫氣更敏感，這可能對(duì)獲得可靠的氫氣濃度測(cè)量產(chǎn)生干擾。但是，如將要描述的那樣，該傳感器設(shè)備20被配置成對(duì)氫氣具有提高的靈敏度， 并由此能夠用于更可靠的檢測(cè)例如從車(chē)輛的氫氣存儲(chǔ)箱中逸出的任何氫氣。在說(shuō)明性的實(shí)施例中，傳感器系統(tǒng)20包括MOS傳感器22 (例如Figaro TGS2611)， 用于傳感存在于周?chē)髿?3中的氫氣或者其他目標(biāo)氣體。作為一個(gè)實(shí)例，MOS傳感器22可以封閉在外殼M中，并且該周?chē)髿饪梢员徽J(rèn)為是外殼M外部的大氣。MOS傳感器22包括氣敏表面26，該表面以已知的方式與目標(biāo)氣體相互作用，來(lái)檢測(cè)該周?chē)髿庵械臍怏w濃度。該氣敏表面可以是例如氧化錫(SnO2)。該傳感器設(shè)備20還包括布置在MOS傳感器22上的選擇性靈敏度增進(jìn)層28。該選擇性靈敏度增進(jìn)層觀(guān)可以緊鄰氣敏表面26，并且與該氣敏表面沈相接觸。MOS傳感器22可以電連接到控制器30上，用于傳輸代表了所檢測(cè)的氣體濃度的信號(hào)?？刂破?0可以包括硬件，軟件或者二者來(lái)接收和處理所述信號(hào)。作為一個(gè)實(shí)例，如果所檢測(cè)的氣體濃度超過(guò)了預(yù)定的閾值，則控制器30能夠觸發(fā)警報(bào)或者其他指示，來(lái)響應(yīng)所接收的信號(hào)。氣敏表面沈通常(例如，不具有選擇性靈敏度增進(jìn)層28)具有對(duì)于第一種可燃?xì)怏w的第一靈敏度和對(duì)于第二種不同的可燃?xì)怏w的第二靈敏度。作為一個(gè)實(shí)例，該可燃?xì)怏w可以是氫氣和甲烷。該靈敏度可以用MOS傳感器22的電壓輸出、MOS傳感器22達(dá)到90% 的全額度輸出所需的時(shí)間(t90，例如)或者任何其他合適的或者已知的特征來(lái)表示。在運(yùn)行中，選擇性靈敏度增進(jìn)層觀(guān)提高了 MOS傳感器22對(duì)于第一種可燃?xì)怏w(例如氫氣)的靈敏度，同時(shí)選擇性靈敏度增進(jìn)層觀(guān)基本上不改變?cè)揗OS傳感器22對(duì)于第二種可燃?xì)怏w (例如甲烷)的靈敏度。例如，對(duì)于第二種可燃?xì)怏w的靈敏度的變化不大于6 10%。對(duì)于第一種可燃?xì)怏w的靈敏度可以增加20 70%，并且在一些實(shí)例中可以增加40 70%。選擇性靈敏度增進(jìn)層觀(guān)由此提高了 MOS傳感器22對(duì)于氫氣的相對(duì)靈敏度。可以選擇該選擇性靈敏度增進(jìn)層觀(guān)的厚度32，來(lái)實(shí)現(xiàn)所期望的提高。作為一個(gè)實(shí)例，該厚度可以是0.5 100微米。在另一實(shí)例中，該厚度可以是1 20微米。例如，對(duì)于車(chē)輛的最終用途來(lái)說(shuō)，使用低于大約5微米的厚度能夠提供期望的氫氣靈敏度的提高。該選擇性靈敏度增進(jìn)層觀(guān)可以是含硅化合物層，例如硅的氧化物，其是由有機(jī)硅化合物形成的。在一些實(shí)例中，該有機(jī)硅化合物可以處于聚合物的形式，例如聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)、聚二乙基硅氧烷、聚環(huán)氧烷硅氧烷、苯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物、 二苯基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物及其組合。該有機(jī)硅化合物可以與載液例如乙醇混合，來(lái)形成溶液?；蛘?，可以使用其他類(lèi)型的溶劑。該溶液然后可以沉積到氣敏表面26上。乙醇或者其他載液促進(jìn)了在氣敏表面沈上沉積成該有機(jī)硅化合物的均勻?qū)?。從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，有機(jī)硅化合物本身可以是過(guò)粘的，來(lái)容易地以期望的厚度沉積到氣敏表面沈上。該載液由此提供對(duì)于獲得期望的厚度更為適合的粘度。在該溶液沉積后，蒸發(fā)載液，以使得有機(jī)硅化合物保留在氣敏表面沈上。從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，使用乙醇作為載液提供了合適的蒸發(fā)速率。在某些情況中，高的蒸發(fā)速率可能導(dǎo)致載液在均勻沉積之前被除去。在其他情況中，較低的蒸發(fā)速率可能延長(zhǎng)所述的過(guò)程。作為一個(gè)實(shí)例，可以在每平方毫米的氣敏表面沈上沉積大約1 20微升來(lái)將厚度32控制在1 20微米以?xún)?nèi)。在另外的實(shí)例中，可以沉積大約2 8微升/平方毫米?？梢允褂枚鄠€(gè)沉積循環(huán)來(lái)達(dá)到期望的厚度。在溶液沉積和除去載液之后，可以加熱傳感器設(shè)備20來(lái)除去任何殘留的載液，并且將該有機(jī)硅化合物氧化成含硅化合物。該熱可以通過(guò)運(yùn)行MOS傳感器22來(lái)提供。或者， 傳感器設(shè)備20可以使用加熱裝置獨(dú)立加熱。傳感器設(shè)備20可以在氧氣氛例如空氣中加熱，來(lái)將該有機(jī)硅化合物氧化成含硅化合物。從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，選擇性靈敏度增進(jìn)層觀(guān)是有機(jī)硅化合物的反應(yīng)產(chǎn)物。在一些實(shí)例中，該有機(jī)硅化合物的氧化形成了作為選擇性靈敏度增進(jìn)層觀(guān)的二氧化硅。二氧化硅可以是四面體晶體結(jié)構(gòu)的β_石英。但是，應(yīng)當(dāng)理解所形成的含硅化合物的類(lèi)型可能取決于所選擇的有機(jī)硅化合物的類(lèi)型，用于氧化有機(jī)硅化合物的溫度，和在氧化過(guò)程中所提供的氣氛。選擇性靈敏度增進(jìn)層觀(guān)因此不限于二氧化硅，并且可以包括其他類(lèi)型的硅化合物。 圖2圖示了幾種樣品MOS傳感器對(duì)于甲烷(CH4)和氫氣(H2)的靈敏度，所述傳感器表示為樣品1 4(參見(jiàn)表1)。在這種情況中，靈敏度被表示為當(dāng)暴露于含有50%LEL(較低的爆炸極限)濃度的可燃?xì)怏w例如2. 5體積％的甲烷或者2體積％的氫氣的氣氛時(shí)，來(lái)自該樣品傳感器的全額度電壓輸出。測(cè)量了不具有選擇性靈敏度增進(jìn)層觀(guān)(預(yù)處理)和具有選擇性靈敏度增進(jìn)層觀(guān)(后處理)的每個(gè)樣品2 4的靈敏度。對(duì)于樣品1來(lái)說(shuō)，預(yù)處理和后處理各自都不具有選擇性靈敏度增進(jìn)層觀(guān)。 表1 :M0S傳感器靈敏度樣品1-4
樣品號(hào)后處理(沉積條件)1無(wú)2增進(jìn)層(在150ml乙醇中0. 49gPDMS的5微升小滴產(chǎn)生了 6微米的增進(jìn)層)3增進(jìn)層(在150ml乙醇中0. 49gPDMS的2X5微升小滴產(chǎn)生了 12微米的增進(jìn)層)4增進(jìn)層(在150ml乙醇中0. 49gPDMS的3X5微升小滴產(chǎn)生了 18微米的增進(jìn)層)
因?yàn)闃悠?的預(yù)處理和后處理?xiàng)l件各自都沒(méi)有選擇性靈敏度增進(jìn)層28，因此樣品1的靈敏度在預(yù)處理和后處理之間基本上沒(méi)有變化。樣品2 4對(duì)于甲烷的靈敏度在預(yù)處理和后處理之間基本上沒(méi)有變化。但是，樣品2 4對(duì)于氫氣的靈敏度在預(yù)處理和后處理之間得以提高。雖然在說(shuō)明性的實(shí)施例中表示了相組合的特征，但是并非它們?nèi)慷夹枰嘟M合來(lái)實(shí)現(xiàn)本公開(kāi)的不同實(shí)施方案的益處。換句話(huà)說(shuō)，根據(jù)本公開(kāi)的一種實(shí)施方案所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將不必需包括在任何一個(gè)圖中所示的全部特征或者在所述圖中示例性表示的全部部分。 此外，一種示例性實(shí)施方案所選擇的特征可以與另一種示例性實(shí)施方案所選擇的特征相組
I=I O前述的說(shuō)明書(shū)是示例性的，而非限制性質(zhì)的。所公開(kāi)的實(shí)施例的變化和改進(jìn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)可以變得顯而易見(jiàn)，其不必脫離本公開(kāi)的本質(zhì)。法律賦予本公開(kāi)的保護(hù)范圍可以?xún)H僅通過(guò)研究下面的權(quán)利要求來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.一種傳感器設(shè)備，其包括金屬氧化物半導(dǎo)體(“MOS”)傳感器，其包括氣敏表面，所述氣敏表面通常具有對(duì)于第一種可燃?xì)怏w的第一靈敏度和對(duì)于第二種不同的可燃?xì)怏w的第二靈敏度；和布置在所述氣敏表面上的選擇性靈敏度增進(jìn)層，以使所述第一靈敏度提高，而所述第二靈敏度基本保持不變。
2.權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備，其中所述選擇性靈敏度增進(jìn)層是厚度為0.5 100 微米的含硅化合物層。
3.權(quán)利要求2所述的傳感器設(shè)備，其中所述厚度是1 20微米。
4.權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備，其中所述選擇性靈敏度增進(jìn)層是二氧化硅層。
5.權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備，其中所述氣敏表面包含氧化錫。
6.權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備，其中所述選擇性靈敏度增進(jìn)層是含硅化合物層，并且其緊鄰所述氣敏表面，并且與所述氣敏表面相接觸。
7.權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備，其中所述選擇性靈敏度增進(jìn)層是厚度為1 20微米的二氧化硅，并且所述氣敏表面包含氧化錫。
8.一種使用傳感器設(shè)備的方法，所述傳感器設(shè)備具有包括氣敏表面的金屬氧化物半導(dǎo)體(“MOS”)傳感器，所述氣敏表面具有對(duì)于第一種可燃?xì)怏w的第一靈敏度和對(duì)于第二種不同的可燃?xì)怏w的第二靈敏度，所述方法包括在所述氣敏表面上形成選擇性靈敏度增進(jìn)層，來(lái)提高第一靈敏度，并且使得第二靈敏度基本保持不變。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其包括形成作為有機(jī)硅化合物的反應(yīng)產(chǎn)物的選擇性靈敏度增進(jìn)層，所述有機(jī)硅化合物選自聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚環(huán)氧烷硅氧烷、苯基甲基硅氧烷_(kāi) 二甲基硅氧烷共聚物、二苯基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物及其組合。
10.權(quán)利要求8所述的方法，其包括將包括有機(jī)硅化合物和載液的溶液沉積成均勻?qū)樱?除去所述載液，并將所述有機(jī)硅化合物氧化成含硅化合物。
11.權(quán)利要求8所述的方法，其包括形成這樣的選擇性靈敏度增進(jìn)層，所述增進(jìn)層是厚度為1 20微米的含硅化合物層。
12.—種傳感器設(shè)備，其包括具有氣敏表面的金屬氧化物半導(dǎo)體(“MOS”)傳感器；和布置在所述氣敏表面上的含硅化合物層。
13.權(quán)利要求12所述的傳感器設(shè)備，其中所述含硅化合物層是有機(jī)硅化合物的反應(yīng)產(chǎn)物，所述有機(jī)硅化合物選自聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚環(huán)氧烷硅氧烷、苯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物、二苯基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物及其組合。
14.權(quán)利要求12所述的傳感器設(shè)備，其中所述氣敏表面包含氧化錫，所述含硅化合物層的厚度是1 20微米。
15.權(quán)利要求12所述的傳感器設(shè)備，其中所述含硅化合物層緊鄰所述氣敏表面，并且與所述氣敏表面相接觸。
全文摘要
傳感器設(shè)備包括具有氣敏表面的金屬氧化物半導(dǎo)體(“MOS”)傳感器，該氣敏表面通常具有對(duì)于第一種可燃?xì)怏w的第一靈敏度和對(duì)于第二種不同的可燃?xì)怏w的第二靈敏度。在該氣敏表面上布置有選擇性靈敏度增進(jìn)層，來(lái)提高該第一靈敏度，并且該第二靈敏度基本保持不變。
文檔編號(hào)H01L49/00GK102192925SQ20101058692
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者B·A·瓊斯, P·D·史密斯, P·倫尼, R·帕蘭 申請(qǐng)人:基德科技公司